Встречался с фотомоделями Грейс Джонс, Полой Барбьери, Дженис Дикинсон и Стефани Адамс, а также актрисами Самантой Филипс и Лесли Энн Вудворд.

В 1990 году Лундгрен познакомился с дизайнером ювелирных украшений, шведкой Анетт Квиберг, с которой начал встречаться, и в 1993 году, во время пресс-тура фильма «Универсальный солдат», сделал ей предложение.

В 1994 году состоялась свадьба, после которой новобрачные отправились в медовый месяц в Марракеш. После возвращения супруги обосновались в Марбелье, Испания, где и проходила их свадьба.

В 1996 году у четы родилась дочь Ида Сигрид Лундгрен, а в 2001 — Грета Эвелин Лундгрен. Именно для того, чтобы дать детям «нормальное детство», Лундгрен и Квиберг предпочли жить вдали от Голливуда.

В мае 2009 года на виллу Лундгрена вломились трое грабителей в масках, которые связали находившуюся дома Анетт, но сбежали, когда увидели, что дом принадлежит Лундгрену. Позже Лундгрен утверждал, что грабители были из Восточной Европы и пытался найти их через свои связи, но это ему не удалось.

В 2011 году Лундгрен и Квиберг объявили о разводе, причём на тот момент супруги уже жили раздельно. Шведские СМИ сообщили, что церемонию вручения Оскаров в 2011 году Лундгрен уже посетил с новой подругой.