В конце 80-х, во время учебы в Щукинском училище, Дмитрий Марьянов начал встречаться с начинающей актрисой Татьяной Скороходовой. В течение нескольких лет пара жила гражданским браком, однако в 1993 году рассталась.

В 1994 году Дмитрий начал встречаться с манекенщицей Ольгой Аносовой, которая вскоре родила ему сына Даню. Однако их отношения продлились недолго, вскоре после рождения сына пара рассталась.

В начале 2000-х, в течение нескольких лет Марьянов встречался с танцовщицей Театра Моссовета Ольгой Силаенковой.

В 2007 году Дмитрий начал встречаться с фигуристкой Ириной Лобачевой, с которой в паре выступал на телепроекте «Ледниковый период».

С 2 сентября 2015 года Дмитрий Марьянов женат на девушке по имени Ксения. О жене Дмитрия известно, что она родом из Харькова, младше его на 17 лет и психолог по профессии.