У Андерсон есть сестра Зоэ, которая сыграла 14-летнюю Скалли в сериале «Секретные материалы» в эпизоде «Рождественский гимн». Джиллиан была замужем дважды. Она вышла за своего первого мужа, Клайда Клотца (помощника директора в «Секретных материалах»), в первый день Нового 1994 года, у семнадцатой лунки поля для гольфа на Гавайях. Церемония была буддистской. Они развелись в 1997 году. В декабре 2004 Андерсон повторно вышла замуж за Джуллиана Озэйна (режиссёра документальных фильмов) в деревне Шэлла на острове Ламу, расположенного недалеко от Кении. Андерсон объявила о разводе 21 апреля 2006 года, после 16-ти месяцев брака. В настоящее время встречается с Марком Гриффитсом.

Андерсон — мать троих детей. Первая дочь, Пайпер Мару, родилась 25 сентября 1994 года в Ванкувере, Канада (эпизод Секретных материалов «Пайпер Мару» назван в её честь). Крис Картер предоставил актрисе 10-дневный декретный отпуск, после чего Джиллиан вернулась к съемкам. Картер стал крестным отцом новорожденной. В 2000 году у Пайпер было маленькое появление в фильме «Дом радости». Оскар (рожденный 1 ноября 2006) и Феликс (рожденный 15 октября 2008) соответственно двое сыновей актрисы.

В 1996 году за Андерсон проголосовали как за «Самую сексуальную женщину мира» по версии журнала For Him Magazine. В 2000 попала в топ «50 красивейших людей Планеты» по версии журнала «People».

В 2008 году она заняла 21 место в номинации «100 самых сексуальных знаменитостей всех времен» по версии FHM. Андерсон оказывает благотворительную помощь в поддержку обнаружения и лечения нейрофиборматоза. Она является почетным представителем Ассоциации Нейрофибоматоза. Подобная деятельность основывается на том, что у брата актрисы выявлено заболевание NF-1. Джиллиан также является участницей совета директоров «Художники Обновленной Южной Африки». Кроме того, Андерсон является активисткой PETA и всесторонне поддерживает права животных. Джиллиан выступала на благотворительных мероприятиях за права организации «Survival International» в начале 2010. Джиллиан Андерсон, в числе других знаменитостей, бойкотировала решения правительства Ботсваны, ущемляющего права бушменов Калахари.