В 2004 году, во время съемок фильма «Горбатая гора», Мишель Уильямс начала встречаться с актером Хитом Леджером. В октябре 2005 у них родилась дочь Матильда, а в 2007 пара распалась.

В марте 2012 года Мишель начала встречаться с актером Джейсоном Сигелом. Но в феврале 2013 года они расстались.