Первый брак Робертом Де Ниро был заключён с Дайэнн Эбботт, актрисой и певицей афроамериканского происхождения. Она известна по нескольким небольшим ролям в фильмах мужа: камео в образе певицы из клуба в фильме «Нью-Йорк, Нью-Йорк», Рита в «Короле комедии».

Де Ниро удочерил Дрену, ребёнка Дайэнны от её первого брака. Дрена Де Ниро позже часто снималась с приёмным отцом: «Плутовство», «Большие надежды», «Приключения Рокки и Буллвинкля», «Последнее дело Ламарки». От первого брака Де Ниро имеет также сына Рафаэля.

Повзрослев, молодой человек пошёл по стопам отца, но быстро разочаровался в актёрской профессии и занялся торговлей недвижимостью. В 1988 году брак Де Ниро и Эбботт распался.

Длительное время артист имел связь с бывшей моделью Туки Смит (также афроамериканкой), не оформляя взаимоотношения юридически. В 1995 году благодаря экстракорпоральному оплодотворению суррогатная мать родила для относительно немолодой пары двух мальчиков-близнецов Джулиана Хенри и Аарона Кендрика. Де Ниро часто подчёркивает своё отцовство публично.

В 1997 году Роберт Де Ниро женился во второй раз. Новая избранница — Грейс Хайтауэр, бывшая стюардесса. В 1998 году у них родился сын Эллиот.

23 декабря 2011 года свет увидела его младшая дочь. Малышку выносила суррогатная мать. Девочка чувствует себя хорошо, ее вес составляет 3 кг 200 г. Малышку назвали Хелен Грейс.