Мишел Уилямс се омъжва за автора на песни и продуцент Фил Елверъм през 2018 г. Този бурен брак е краткотраен, като тя все още е законно омъжена за него, когато среща театралния режисьор Томас Кайл. По това време Томас същи е женен. Говори се, че романсът им е започнал на снимачната площадка на минисериала „Fosse/Verdon“ през есента на 2018 г.
Уилямс и Кейл се сдобиват със син, Харт, през 2020 г., а през май тази година Мишел разкри, че с Томас очакват и второто си дете заедно.