В 1998 году Кимора Ли вышла замуж за музыканта и бизнес-магната Рассела Симмонсона, с которым они прожили вместе до 2007 года. У них в браке родилось двое дочерей, Мин Ли (родилась 21 января 2000 года) и Аоки Ли (родилась 16 августа 2002 года).

С 2007 по 2012 год Кимора Ли жила гражданским браком с актёром Джимоном Хонсумом. 30 мая 2009 года у них родился сын Кензо Ли Хонсу.

В начале декабря 2012 года Кимора Ли была замечена на одном из светских мероприятий в Лос-Анджелесе с украинским боксером Владимиром Кличко.