В 1999 году Сэм Мендес встречался с американской актрисой Калистой Флокхарт.

В 2000-2001 годах Сэм встречался с британской актрисой Рэйчел Вайс.

В 2001 году Мендес начал встречаться с актрисой Кейт Уинслет, с которой поженился 24 мая 2003 года на острове Ангилья.

22 декабря 2003 года у пары родился сын Джо. Также вместе пара воспитывала дочь Мию (родилась в 2000 году), от первого брака Кейт Уинслет с режиссёром Джимом Триплтоном.

В марте 2010 года Сэм Мендес и Кейт Уинслет объявили о своем расставании, а в 2011 году их брак был официально расторгнут.

В июне 2011 года Мендес начал встречаться с актрисой Ребеккой Холл. Их отношения продлились около 4 лет, в 2015 году Мендес и Холл расстались.