Annie tombe amoureuse de son partenaire Renato Salvatori. Elle l'épousera deux ans plus tard et aura avec lui son unique enfant, Giulia. C'est aussi le début d'une grande amitié entre Romy Schneider (qui vient régulièrement sur le tournage rendre visite à Delon) et Annie Girardot.

Elle a été mariée du 6 janvier 1962 avec Renato Salvatori, son partenaire dans Rocco et ses frères, jusqu'à la mort de ce dernier le 27 mars 1988. Ensemble, ils ont eu une fille,Giulia, née à Rome le 4 juillet 1962. Victime de violences conjugales, elle se séparera de son mari mais sans jamais divorcer

En 1967, l'actrice a une liaison avec le chanteur Jacques Brel puis entame une relation durant deux ans avec le cinéaste Claude Lelouch.

De 1971 à 1978, elle partage la vie de l'acteur Bernard Fresson. Le comportement violent du comédien aura raison de leur relation

De 1980 à 1993, elle vit avec Bob Decout,

réalisateur et parolier de ses chansons, de quatorze ans son cadet.

Dans un livre sorti en 2010,

ce dernier témoigne de sa relation avec l'actrice.

Qualifié de gigolo et accusé par les proches d'Annie Girardot de l'avoir ruinée,

Une rue Annie-Girardot, menant à l’EHPAD « Les Jardins des sens », est inaugurée le 13 juin 2013 à Linselles (Nord) par le maire Jacques Rémory, en présence de Giulia Salvatori, fille de l’actrice disparue.