С 18 ноября 2000 года Кэтрин Зета-Джонс замужем за актером Майклом Дугласом, который старше ее на 25 лет. У них есть два ребенка: сын Дилан Майкл Дуглас (2000), названный в честь Дилана Томаса, и дочь, Кэрис Зета Дуглас (2003).

В августе 2013 года Майкл Дуглас заявил о намерении подать на развод, однако уже в ноябре того же года пара восстановила свои отношения.