29 września 1979 wyszła za mąż za reżysera Martina Scorsese, jednak 1 listopada 1982 doszło do rozwodu.
W latach 1983–1986 jej mężem był Jonathan Wiedemann, model z Teksasu, absolwent Harvard University, administrator Microsoft, z którym ma córkę Elettrę Rossellini (ur. 26 lipca 1983). Spotykała się z tancerzem Michaiłem Barysznikowem (1985), reżyserem Davidem Lynchem (1986–1994), aktorem Garym Oldmanem (1994–1996) oraz reżyserem i producentem teatralnym Gregorym Mosherem (1996–1997). Zaadoptowała syna Roberto (ur. 1993).
Filmografia 1976 Kwestia czasu (A Matter of Time) – Siostra Pia 1979 Łąka (Il Prato) – Eugenia 1980 Il Papocchio – Isabella 1985 Białe noce (White Nights) – Darya Greenwood 1986 Blue Velvet – Dorothy Vallens 1987 Twardziele nie tańczą (Tough Guys Don’t Dance) – Madeleine Regency 1987: Oczy czarne (Oci ciornie) – La Signora 1987 Sjesta (Siesta) – Marie 1988 Zelly i ja (Zelly and Me) – Mademoiselle Zizi Keffler 1989 Czerwony Kapturek (Red Riding Hood) – Lady Jean / Mama Kaprurka 1989 Cousins – Maria Hardy 1990 Ivory Hunters – Maria DiConti 1990 Żywoty pań swawolnych (Dames galantes) – Victoire 1990 Dzikość serca (Wild at Heart) – Perdita Durango 1991 Lies of the Twins – Rachel Marks 1991 Caccia alla vedova – Rosanna 1992 Ze śmiercią jej do twarzy (Death Becomes Her) – Lisle Von Rhoman 1993