朱雨辰
1995年春天，汤唯与朱雨辰的第一次见面是在在杭州参加中戏表演系的考场上，当时他们都16岁。直到1997年，汤唯、朱雨辰都上高三，因为热恋两人高考双双落榜。1998年，朱雨辰顺利考上中戏，而汤唯再次落榜。2000年，汤唯连续三年考试，终于考上了中戏。但也就是那年高考前，汤唯与朱雨辰感情转淡。2004年汤唯毕业大戏，朱雨辰没有去。
田雨
2004年，汤唯与演员田雨因合作电视剧《警花燕子》而结缘恋爱。在《色，戒》拍摄前期，汤唯和田雨这对恋人还不时地电话联络，田雨也曾前往上海拍摄地探望过汤唯。然而两人的关系渐渐疏远，《色，戒》还没有拍摄完两人就已分手结束3年感情。
胡璟
2012年9月，汤唯与胡璟在陈雨黎的追悼会中相识。
2012年10月二人被拍到一起观看音乐节，恋情曝光。
2013年5月，汤唯离京，男友胡璟机场送行。后来，汤唯远走美国拍新片，半年内一直在美国和香港生活。与胡璟分隔两地，感情情况不明。11月，汤唯回到北京，为自己主演的电影《黄金时代》配音，并未再与胡璟见面。此后汤唯经纪人接受采访时证实分手，表示会支持汤唯的个人决定，并呼吁公众多为其留些私人空间。11月21日，汤唯表示：2014年的新年愿望是结婚成家，想拥有一个家庭，从20岁开始，每年都希望结婚，组织家庭。对汤唯来说家庭相当重要。汤唯喜欢做家务与烹饪。
2014年7月2日，汤唯与《晚秋》导演金泰勇订婚，并将在2014年晚秋时节举办婚礼。具体的婚礼地点，还将与双方家庭协商后确定。
2014年8月19日下午，汤唯金泰勇婚纱照曝光，公司在微博宣布，两人日前在双方父母与家人的见证之下，正式结为夫妻。[33] 汤唯经纪人代表她表示婚后不会加入韩国国籍，“过去、现在、将来都是中国国籍”。
2016年2月26日，汤唯自己在个人社交平台宣布怀孕，孩子猴年将出生性别未知。
