O'Neal hadde et langvarig av og på-forhold til skuespilleren Farrah Fawcett frem til hennes død i juni 2009 (de var ikke gift). Han er kjent for forhold til blant andre Joan Collins, Ursula Andress, Barbara Streisand, og angivelig med Diana Ross og Bianca Jagger. Han var gift med skuespilleren Joanna Cook Moore fra 1963 til 1967, og med skuespilleren Leigh Taylor-Young fra 1967 til 1973; begge ekteskap endte i skilsmisse. O`Neil hadde fire barn, Tatum O'Neal og Griffin O'Neal sammen med Joanna Moore; Patrick O'Neal sammen med Leigh Taylor-Young, samt sønnen Redmond med Farrah Fawcett. Han spilte mot datteren Tatum i (1973). Tatum var da 9 år og fikk som den yngste noen gang Oscar for beste birolle.