В 1985 году Шон Пенн женился на американской певице Мадонне, что привлекло большое внимание СМИ к персоне Шона. В 1989 году пара развелась.

С 1989 года Шон заваязал отношения с актрисой Робин Райт. В 1991 году у пары родилась дочь Дилан Фрэнсис, а в 1993 году - сын Хоппер Джек Пенн. В 1996 году Робин и Шон узаконили свои отношения.

В декабре 2007 года Робин и Шон объявили о разводе, но спустя четыре месяца ходатайство о разводе было отозвано по просьбе супругов. В феврале 2009 года Робин и Шон вместе посетили 81-ю церемонию "Оскар", где Пенн победил в номинации "Лучшая мужская роль". Но уже в апреле 2009 года Шон Пенн опять подал на развод, но отозвал ходатайство в мае того же года.

12 августа 2009 года Робин Райт подала на развод еще раз, при этом заявив что у нее не было никаких планов по примирению. Бракоразводный процесс был завершен 22 июля 2010 года.

В 2010 году Шон Пенн закрутил роман со Скарлетт Йоханссон. Роман продлился до лета 2011 года.

В начале 2014 года появились слухи о романе Шона Пенна и американской актрисы Шарлиз Терон. Пара начала часто появляться вместе на публике, не прячась от назойливых фотографов.

В конце 2014 года появились очередные слухи на сей раз о помолвке актеров, которые оказались правдой. Эту новость подтвердил источник, близкий к паре.

В начале мая 2015 года стало известно, что Шон и Шарлиз запланировали свадьбу, которая состоится 7 августа 2015 года.

В июне 2015 года пара рассталась.