Yorke bor i Oxfordshire. Han har en bror, Andy, som er eks-vokalist i bandet Unbelievable Truth. Han bodde i flere år sammen med Rachel Owen, som han møtte da de studerte sammen ved University of Exeter. Sammen fikk de to barn, Noah, født i 2001 og Agnes, født i 2004. De giftet seg i hemmelighet i 2003. Den 15. august 2015 kunngjorde Thom at han og Owen hadde gått fra hverandre etter 23 år. Owen døde av kreft 18. desember 2016.