Во время съёмок «Матрицы» (предположительно до июля 1999 года) у Мосс был роман с Киану Ривзом.

Мосс замужем за актёром Стивеном Роем с ноября 1999. У них трое детей: сын Оуэн (сент. 2003), второй сын, предположительно, Джейден (ноябрь 2005) и дочь (июнь 2009). Мосс отказалась раскрывать публично имена своих детей, защищая их частную жизнь.

Лучшая подруга Керри-Энн Мосс — актриса Мария Белло. Является крестной матерью сына Белло — Джека (Джексон Блю МакДермотт), а Белло крестила старшего сына Мосс. Хорошо дружит с Джадой Пинкетт-Смит после совместных съемок в фильмах «Матрица: Перезагрузка» и «Матрица: Революция».