С 2003 по 2005 год Эванджелин Лилли была замужем за канадским хоккеистом Мюрреем Хоуном.

В 2004 году Эванджелин познакомилась с актером Домиником Монаганом, с которым вскоре у нее начался роман. Отношения пары продлились пять лет и даже поговаривали о предстоящей свадьбе, но в 2009 году пара неожиданно рассталась.

В 2010 году Эванджелин начала встречаться с ассистентом режиссёра сериала «Остаться в живых» Норманом Кали.

В конце мая 2011 года у пары родился сын Кахекили (гавайское имя, переводящееся как «Гром»).

29 июня 2015 года стало известно, что Эванджелин ожидает появления своего второго ребёнка.

Лилли бегло говорит на французском, любит фигурное катание, гонки на каноэ, байдарках, сноубординг и скалолазание.