Franco var biseksuell. I 2017 flyttet hun til Rio de Janeiro-nabolaget Tijuca med sin partner Mônica Tereza Benício, og hennes da 18-årige datter Luyara Santos. Marielle og Mônica møttes på en tur med venner da de var 18 og 24 år gamle. De hadde vært sammen i 13 år, selv om forholdet hadde vært avbrutt pga. manglende aksept fra deres familier og venner. Under disse omstendighetene hadde Mônica forhold med andre kvinner og menn og Marielle med andre menn. Franco og Benício planla å gifte seg i september 2019.