Nhà sáng lập SpaceX đã gặp người vợ đầu tiên của mình, Justine Wilson, tại Đại học Queen ở Ontario, Canada. Về sau, Elon chuyển đến Wharton, nhưng vẫn tiếp tục gửi hoa hồng tặng bạn gái. Chuyện tình của họ đơm hoa bằng một đám cưới đẹp vào năm 2000.
Cặp đôi chuyển đến Los Angeles và có cậu con trai đầu lòng tên là Nevada. Đau lòng thay, bé đã mất vì hội chứng đột tử ở trẻ sơ sinh (SIDS). Dù có 5 đứa con chung, nhưng họ vẫn ly hôn vào năm 2008 sau nhiều nỗ lực cứu vãn thất bại.
Sau khi ly hôn, ông trùm công nghệ bắt đầu hẹn hò với nữ diễn viên Talulah Riley rồi cưới cô vào năm 2010. Hai năm sau, họ công bố tin “đường ai nấy đi”. Elon vẫn dành nhiều lời tốt đẹp cho vợ cũ. Năm 2013, họ bất ngờ quay lại với nhau.
Nhưng cuộc hôn nhân này lại đổ vỡ khi Elon nộp đơn ly dị năm 2014, hoàn tất thủ tục năm 2016. Dù trải qua nhiều thăng trầm, song cả hai vẫn giữ mối quan hệ thân thiết.
Năm 2016, Elon bắt đầu hẹn hò với nữ diễn viên Amber Heard, vợ cũ của Johnny Depp. Một năm sau, cả hai chia tay vì quá bận rộn, nhưng tỷ phú Tesla vẫn làm bạn với người yêu cũ.
Tháng 5/2018, Elon tham dự Gala của Bảo tàng Nghệ thuật Metropolitan cùng với Grimes, một ca sĩ, nhạc sĩ người Canada. Vào thời điểm đó, Page Six đưa tin rằng cặp đôi đã "hẹn hò bí mật" được vài tuần. Elon nói với The Wall Street Journal rằng ông yêu Grimes vì “khả năng sáng tạo nghệ thuật đầy hoang dại và tinh thần làm việc hăng say” của cô.
Tháng 1/2020, nữ ca sĩ báo tin cô đang mang thai đứa con của Elon. Ngày 4/5/2020, cặp đôi chào đón con trai X Æ A-Xii Musk. Song, Elon và Grimes đã chia tay vì lý do khoảng cách.
