Elle a été mariée avec l'acteur Bruce Willis de 1987 à 2000. Ils ont eu 3 enfants : Rumer Glenn (° 1988), Scout LaRue (° 1991) et Tallulah Belle (° 1994).

Elle s'est mariée le 24 septembre 2005 avec l'acteur Ashton Kutcher, de 16 ans son cadet.

Le 17 novembre 2011 et après des semaines de rumeurs, Demi Moore annonce officiellement qu'elle divorce d'Ashton Kutcher, après six ans de mariage.