Novorojenka je igralkin tretji otrok in prvi s sedanjim partnerjem, finančnikom Arpadom Bussonom. Igralka in finančnik sta postala par leta 2007 in sta bila zaročena, vendar sta leta 2009 zaroko preklicala. Znova sta skupaj od lani.

Thurmanova je bila med letoma 1998 in 2004 poročena z igralskim kolegom Ethanom Hawkom, s katerim ima 14-letno hčer Mayo in 10-letnega sina Levona. Še pred tem je bila poročena z britanskim igralcem Garyjem Oldmanom, s katerim se je razšla leta 1992.

Tudi Busson ima že dva otroka, 14-letnega Flynna in 9-letnega Cyja iz zveze s supermodelom Elle Macpherson.