В 1989 году Сергей Астахов познакомился с Натальей Комардиной, которая училась с ним в Воронежском институте искусств. Их брак продлился меньше года, но официально развод оформили лишь спустя несколько лет.

В 1994 году Сергей познакомился с Викторией Адельфиной, с которой после пяти лет гражданского брака поженился. 28 июня 1998 года у пары родилась дочь Мария. В 2011 году Сергей и Виктория расстались.

В 2011 году Сергей начал встречаться с актрисой Еленой Кориковой, но в марте 2013 года пара рассталась.