В 1958 году на съёмках фильма «Кристина» начался роман Алена Делона с молодой австрийской киноактрисой Роми Шнайдер (1938—1982). 22 марта 1959 года они обручились. Европейская пресса называла их самой красивой парой, появились также сообщения о скорой свадьбе. Однако, пробыв женихом и невестой шесть лет, Шнайдер и Делон расстались. Разрыв отношений активно обсуждался в СМИ, одни журналисты утверждали, что причина расставания — новый роман Алена Делона, другие полагали, что дело в нежелании Шнайдер оставить актёрскую профессию и посвятить себя семье.
Певица и актриса Нико в 1962 году родила сына Ари Пэффгена, отцом которого сама называла Алена Делона. Делон не признал отцовства, однако ребёнка вырастили большей частью родители Делона, давшие ему свою фамилию Булонь. В 2023 году он скончался от передозировки наркотиков.
13 августа 1964 года состоялась свадьба Делона с Натали Бартелеми. 1 октября 1964 года у супругов родился сын — актёр Энтони Делон. Прожив четыре года в браке, супруги развелись.
В 1968 году Делон встретил актрису Мирей Дарк. Они были партнёрами на протяжении 15 лет.
С 1983 года состоял в отношениях с актрисой Анн Парийо.
В 1987 году Делон познакомился с голландской манекенщицей Розали ван Бремен (род. 1966). Между ними случился роман, переросший во второй незарегистрированный брак актёра. Ван Бремен родила Делону двоих детей — дочь Анушку (род. в 1990) и сына Алена-Фабьена (род. в 1994). В 2001 году Делон и ван Бремен расстались. Их внук Лино от Анушки родился в 2020 году.