Mansfield møtte Matt Cimber våren 1964, da han regisserte henne i . Han hevdet å ha en IQ på 165, to poeng høyere enn det hun selv hevdet å ha. De innledet raskt et forhold. Den 24. september samme året giftet de seg i Baja California i Mexico. Hollywood-journalister stemte dem frem som det ekteskapet innen underholdningsindustrien med minst sjanse til å vare. Ekteskapet var stormfullt, med stadige krangler. Sønnen deres, Antonio Raphael Ottaviano, også kjent som Tony Cimber, ble født 17. oktober 1965. Mansfield søkte om skilsmisse 19. juli året etter, men den ble ikke fullført før hennes død. Hun innledet et forhold til den gifte skilsmisseadvokaten sin, Sam Brody.