В 1996 году, будучи в возрасте 20 лет, Джоли вышла замуж за своего партнёра по фильму «Хакеры» британского актёра Джонни Ли Миллера, но уже через год последовал развод. Они остались хорошими друзьями.

В мае 2000 года актриса на съёмках фильма «Управляя полётами» познакомилась и завязала бурный роман с актёром Билли Бобом Торнтоном. 5 мая 2000 года они поженились в Лас-Вегасе, однако спустя три года (май 2003 года) Джоли и Торнтон развелись.

Скандалы вокруг личной жизни Анджелины добавляли её откровенные высказывания на тему собственной бисексуальности. Общеизвестным стал роман актрисы со своей партнёршей по фильму «Ложный огонь» Дженни Шимицу, американкой японского происхождения.

В марте 2002 года в Камбодже Анджелина усыновила мальчика Мэддокса (р. 5 августа 2001 года).

Главной мишенью объективов голливудских папарацци стал роман Анджелины Джоли с Брэдом Питтом, на тот момент он был женат на Дженнифер Энистон.

В декабре 2005 года Брэд Питт подал документы об усыновлении Мэддокса, а также пара усыновила девочку Захару (р. 8 января 2005 года) из Эфиопии.

11 января 2006 года Анджелина Джоли в одном из интервью заявила, что беременна от Брэда Питта.

27 мая 2006 года в Намибии Анджелина Джоли родила дочь - Шайло Нувель.

5 марта 2007 года Анджелина и Питт усыновили на юге Вьетнама трёхлетнего мальчика Пакса Тьена (родился 29 ноября 2003 года) из приюта.

12 июля 2008 года Анджелина Джоли родила близнецов — мальчика Нокса Леона и девочку Вивьен Марчелин. Роды проходили во Франции, в клинике курортного города Ницца.

В середине апреля 2012 года стало известно что звездная пара Брэд Питт и Анджелина Джоли помолвлены.

25 декабря 2012 года появились слухи, что Джоли и Питт поженились.

В марте 2013 года Анджелина Джоли опровергла все слухи и заявила, что она еще не замужем.

14 мая 2013 года Анджелина написала в колонке «Мой выбор» (My Medical Choice) для газеты The New York Times, что сделала операцию по удалению молочных желез, чтобы избежать рака груди. Операция, о которой в заметке рассказывается достаточно подробно, в целом заняла около трех месяцев и завершилась 27 апреля. На место удаленных грудей Джоли поставили импланты. По ее словам, внешне последствия хирургического вмешательства практически не заметны.

23 августа 2014 года Анджелина и Брэд поженились во Франции в замке Chateau Miraval, который пара приобрела в 2008 году.

В июне 2015 года появились слухи о том, что Анджелина и Брэд находятся на грани разрыва.