Prvou manželkou Elona Muska bola Justine Wilson, ktorú stretol počas štúdia na Queen's University v kanadskej provincii Ontario. S kanadskou knižnou autorkou Justine bol ženatý v rokoch 2000 – 2008. S exmanželkou má dvojičky a trojičky – všetko chlapcov, dohromady 5 detí. O prvého syna manželia prišli, zomrel, keď mal iba 10 týždňov.

Nasledoval turbulentný vzťah s herečkou Talulah Riley, ktorá stála za jeho prvým rozvodom. S ňou sa oženil v roku 2010, ich manželstvo vydržalo dva roky. Ich láske však neodzvonilo, v roku 2013 si povedali „áno“ po druhý raz. Ani tento raz to však nebolo manželstvo na veky vekov a v roku 2016 sa s peknou Britkou rozviedol. Dvojica však udržiava dobré vzťahy, čo herečka potvrdila napríklad pre magazín Rolling Stone: „Vídavame sa a jeden o druhého sa stále zaujímame.“

V roku 2016 začal randiť opäť s herečkou, exmanželkou Johnnyho Deppa, Amber Heardovou. Ich vzťah sa však po roku rozpadol, ako dôvod sa uvádzala ich časová zaneprázdnenosť. Musk komentoval jeden z instagramových postov Amber Heardovej po ich rozchode: „Stále sme priateľmi a máme sa radi.“ Pre magazín Rolling Stone po krachu ich vzťahu povedal: „Bol som naozaj zamilovaný a veľmi to bolelo.“

Len krátko pred štartom Crew Dragon sa stal Musk opäť otcom. Dieťa mu začiatkom mája porodila speváčka Grimes (32). Pre Muska ide o šiesteho potomka, opäť chlapca. Musk a Grimes sa spolu po prvý raz oficiálne ukázali na podujatí MET Gala v New Yorku v roku 2018. Speváčka Grimes, vlastným menom Claire Boucher, v januári oznámila, že je tehotná.

V roku 2013 Muska spájali s herečkou Cameron Diaz. The New York Post vtedy uviedol, že dvojica má k sebe veľmi blízko, spoznali sa potom, čo si herečka kúpila jeden z modelov auta značky Tesla. Zároveň spomínaný denník písal, že Musk za herečkou pravidelne lieta do Los Angeles. Špekuláciám však urobil koniec sám Musk, keď v roku 2013 pre CNBC tieto fámy poprel: „Naozaj neviem, kde niečo také ľudia zobrali.“
