С 1988 по 1991 года Тим Бертон был женат на художнице Лене Жизек.

С 1992 по 2001 год Тим встречался с моделью и актрисой Лизой Мари.

В 2001 году у Тима завязались романтические отношения с актрисой Хеленой Бонэм Картер, которая в то время снималась в его картине «Планета обезьян».

В октябре 2003 года у пары родился сын Билли Рэй.

В 2006 году во время съемок в мюзикле «Суини Тодд демон парикмахер с Флит-стрит» Хелена узнала, что снова беременна.

В декабре 2007 года у пары родилась дочь Нелл. Крестным отцом Нелл, как и Билли Рэя, стал лучший друг семейства Джонни Депп.

В декабре 2014 года стало известно, что Тим и Хелена расстались.