Междувременно Белучи е била омъжена два пъти. Първият ѝ брак е с италианския фотограф Клаудио Карлос Басо, когато тя е на 20 години, но се развеждат само след шест месеца. По-късно, през 1999 г., тя се омъжва за френския актьор Венсан Касел, а през 2013 г. се развеждат. Заедно имат две дъщери - Дева и Леони.