С 2000 по 2011 год Зои Салдана встречалась с актером и президентом My Fashion Database Китом Бриттоном.

В 2011 году Зои начала встречаться с актером Брэдли Купером, но в начале 2013 года стало известно, что пара рассталась.

В мае 2013 года Зои начала встречаться с Марко Перего. В июне 2013 года пара поженилась.

В июле 2014 года стало известно, что супруги ждут своего первенца.

В октябре 2014 года стало известно, что у пары родятся мальчики-близнецы.

27 ноября 2014 года Зои родила близнецов Сая и Боуи в одном из госпиталей Лос-Анджелеса.