Em março de 2015, Marília Mendonça começou a namorar o empresário Yugnir Ângelo, de quem ficou noiva em dezembro de 2016. Contudo, o relacionamento chegou ao fim em agosto de 2017, revelando que estava muito jovem para um relacionamento tão sério.Mesmo tendo relacionamentos casuais após o divorcio, Marília nunca assumiu esse fato. Uma prova disso foi no show que aconteceu em São José dos Campos, com a dupla Maiara e Maraísa. Durante o show, Maiara não perdeu tempo e fez questão de cutucar a rainha da sofrência:
“Você está solteira desde que dia?”. Marília afirmou: “Desde sempre”.
Contudo, em maio de 2019 assumiu estar em um relacionamento sério há cinco meses com cantor e compositor Murilo Huff. Desse modo, em junho de 2018, confirmou estar grávida de Murillo, dando a luz ao seu primeiro filho. Léo, nasceu prematuro de oito meses, no dia 16 de dezembro de 2019, em Goiânia, através de parto normal.