私生活においても、ドヌーヴは極めて自立した現代的な女性像を貫いてきました。生涯で唯一の婚姻関係を結んだのは、イギリスの著名写真家デヴィッド・ベイリー（1965年〜1972年）です。しかし、その後は制度としての結婚に縛られることなく、自由な愛の形を選び取りました。
映画監督ロジェ・ヴァディムとの間には長男クリスチャン・ヴァディムを、そしてイタリアの名優マルチェロ・マストロヤンニとの間には長女キアラ・マストロヤンニを出産しました。特にキアラとは母娘でありながら親友のような強い絆で結ばれており、女優としても数多くの作品で共演を果たしています。
近年でもカンヌ国際映画祭に出品された映画『マルチェロ・ミオ』など、キアラを中心とするプロジェクトに惜しみなく協力し、母娘ならではの息の合った掛け合いと深い愛情をスクリーン上でも披露しています。
