Deschanel ficou noiva de Ben Gibbard, da banda Death Cab for Cutie em 28 de dezembro de 2008. Casaram-se em setembro de 2009. A 1 de novembro de 2011, anunciaram a sua separação e o divórcio ficou concluído no ano seguinte.
Após o divórcio, Zooey começou a namorar o roteirista Jamie Linden em junho de 2012. Dois anos depois, ao ser apanhada a namoriscar o produtor do filme Rock The Kasba, Jacob Pechenik - o qual estava a fazer - a atriz e o roteirista terminaram. A atriz casou com Pechenik em 2015 e juntos tiveram dois filhos (Elsie e Charlie). No começo de 2019, o casal anunciou a sua separação e concluíram o divórcio no final do mesmo ano. Em agosto de 2019, a atriz começou namorar com Jonathan Scott, um dos gémeos do programa Property Brothers, que conheceu após participarem juntos num episódio de Carpool Karaoke. Quatro anos depois, em agosto de 2023 o casal anunciou o seu noivado.