Первые известные общественности отношения певицы были с лидером группы 311 Ником Хексумом. Они познакомились на одной из голливудских вечеринок в 2000 году. Влюбленные быстро обручились и затем были вместе почти четыре года, но в 2004-м разошлись.
Рэпер группы Black Eyed Peas Will.i.am рассказывал в 2013 году, что изначально хотел, чтобы Николь присоединилась к коллективу, но «ее парень сказал нет». Имя парня он не называл, но западные СМИ решили, что речь шла о Нике. «Ник заботился обо мне, и я многому у него научилась, я равнялась на него. Я была намного моложе его, и было просто так: что бы ни сказал Ник, все будет так», — делилась певица.
Затем на церемонии вручения премии MTV Music Awards 2007 в Мюнхене Шерзингер встретила гонщика «Формулы-1» Льюиса Хэмилтона. У них были бурные отношения с перерывами до 2015 года. Как писали некоторые СМИ, причиной окончательного разрыва стало нежелание Хэмилтона заводить семью и жениться.
В 2016 году певица завела роман с болгарским теннисистом Григором Димитровым, который был младше ее на 13 лет. Они были вместе до 2019 года. Несмотря на плотные рабочие графики обоих, Николь приезжала поддержать Григора на соревнованиях, а он посвящал ей свои победы. В интервью Шерзингер отмечала, что счастлива с Димитровым, называла его очень милым и заботливым человеком. Подробности их расставания не афишировались.
В январе 2020-го стало известно об отношениях исполнительницы с бывшим игроком в регби и певцом Томом Эвансом, с которым Николь познакомилась на шоу X Factor: Celebrity. Она была судьей, а он — участником.
Во время пандемии влюбленные самоизолировались вместе, что только укрепило их связь. Николь называла Тома своим лучшим другом и «мужчиной мечты», отмечая, что они много смеются, поют и готовят вместе. В июне 2023 года пара объявила о помолвке. Свадьба неоднократно откладывалась из-за плотного графика певицы, занятой работой на Бродвее.
Николь пообещала выйти замуж за своего избранника сразу после завершения шоу летом 2025 года. «Я хочу родить ребенка, но мне мешает работа. Но мне придется найти время, потому что, да, мне не терпится завести детей», — говорила она в интервью The Times в конце июня 2024 года. Эванс же отмечал, что он «сорвал джекпот», начав встречаться с Шерзингер: «Я могу честно сказать, что у меня никогда не было такого. Но в первые пару дней с Николь это было просто потрясающе, и с тех пор все великолепно».