Després d'haver estat la promesa de Brad Pitt, amb qui trenca, té una breu aventura amb Ben Affleck, Chris Heinz, Luke Wilson. El seu pare mor a conseqüència d'un càncer de gola quan té 30 anys i coneix el mateix any Chris Martin, el cantant de Coldplay, en un concert entre bastidors. Es casen el 5 de desembre de 2003, i Gwyneth Paltrow dona ràpidament a llum el seu primer fill el maig de 2004, una nena anomenada Apple. Consagra l'any 2004 a la seva filla abans quedar embarassada de nou i de donar a llum l'abril de 2006 un nen, Moses, en referència a una cançó escrita per a ella el 2003 per Chris Martin. Demòcrata, donà suport a John Kerry en les presidencials de 2004.