Davis var gift fire ganger, først med Harmon Nelson fra 1932 til 1938, Arthur Farnsworth fra 1940 til hans død i 1943, William Grant Sherry fra 1945 til 1950, og tilslutt Gary Merrill, hennes motspiller i , fra 1950 til 1960. Hun fikk datteren Barbara Davis Sherry i 1947 med Sherry, og adopterte barna Margot Merill og sønnen Michael Merill i 1950 og 1952 med Merrill.