С 1978 по 1988 год Робин Уильямс был женат на модели и актрисе Валерии Веларди. 11 апреля 1983 года у пары родился сын Закари.

30 апреля 1989 года Робин женился на няне Закари Марше Грасес. В этом браке у Робина родилось двое детей - дочь Зельда (родилась 31 июля 1989 года) и Коди (родился 25 ноября 1991 года). В марте 2008 года брак Робина и Марши распался.

23 октября 2011 года Робин женился в третий раз, его избранницей стала дизайнер Сьюзан Шнайдер.