Marlowe je bila plod igralkine ljubezni s takratnim partnerjem, prav tako igralcem Tomom Sturridgeem, zdaj pa je v zvezi s 26-letnim manekenom in igralcem Olijem Greenom.

Sienna in Oli sta se v javnosti prvič pojavila skupaj na večerji v New Yorku februarja leta 2022. Po začetku njune zveze je v pogovoru za britanski Vogue dejala, da je imela v preteklih letih občutek, da je preveč časa vlagala v odnose, ki niso bili pravi, in zveze, ki se niso obnesle. "Vedno sem si predstavljala, da bom pri 40 letih poročena in da bom čudovita mati trem otrokom. Čeprav se moji načrti niso uresničili, pa je vsaj nekaj res – uživam biti mati, to je nekaj, kar mi gre odlično od rok."

Dejala je tudi, da je pri 40 letih dala zamrzniti nekaj svojih jajčec, saj ni skrivala želje po drugem otroku. "Nekaj časa sem bila res obremenjena s tem, da bi imela več otrok, čutila sem velik pritisk, a proti biološki uri se ne da storiti veliko. Nato sem se pogovorila sama s seboj in si rekla, če se bo zgodilo, se bo, če ne, bo prav tako v redu."

Miller je bila v preteklosti nekaj let v zvezi z britanskim igralcem Judom Lawom, a jo je prevaral z varuško svojih otrok. Čeprav sta se razšla, sta tri leta kasneje obnovila razmerje, a se februarja leta 2011 dokončno razšla.