I 1964 inngikk Sarandon et forhold med skuespiller Chris Sarandon, mens de gikk på college, og paret giftet seg den 16. september 1967. De tok ut seperasjon i 1978. På midten av 1980-tallet, innledet Sarandon et forhold med den italienske filmskaperen Franco Amurri, som hun fikk en datter med den 15. mars 1985. Fra 1988 til 2009 var Sarandon i et forhold med skuespiller Tim Robbins, som hun møtte mens de drev innspilling av filmen . De har to sønner, Jack Henry (født i 1989) og Miles Guthrie (født i 1992). I 2006 reiste Sarandon og ti av hennes slektninger (inkludert hennes daværende partner Tim Robbins og deres sønn Miles) til Wales for å drive slektsforskning og spore familien hennes.