Впервые Нонна Гришаева вышла замуж практически сразу после окончания Щукинского училища. Ее супругом стал однокурсник Антон Деров. Для Дерова брак стал вторым: до этого он был женат на Марине Федько. Как рассказывала сама Гришаева в интервью «Комсомольской правде», Деров не был ее первой любовью. Во время учебы в вузе, еще до романа с Деровым, она влюбилась в женатого студента, который был на курс старше. Но дальше симпатии дело тогда не дошло.
Брак Нонны Гришаевой и Антона Дерова просуществовал семь лет, у пары родилась дочь Анастасия. По словам Нонны, Деров не чувствовал родительской ответственности, его больше увлекали друзья и карьера. После развода актер не общался с дочерью, но для нее это прошло безболезненно: Настя и до этого редко видела отца.
Встреча Нонны и Александра Нестерова произошла на детском новогоднем празднике, на котором Нестеров выступал в роли Медвежонка, а Гришаева пришла вместе с дочерью. После этого между ними зародились дружеские отношения, а после этого – и роман. Во время совместного отдыха в Таиланде Александр сделал Нонне предложение, на которое она ответила согласием.
Поначалу актрису смущала разница в возрасте с ее избранником – Нестеров моложе на 12 лет. Однако между ними было такое взаимопонимание, что актриса перестала беспокоиться из-за второстепенных вещей. Свадьбу Александр Нестеров и Нонна Гришаева сыграли в центре Праги в сентябре 2006 года. А в декабре того же года у пары родился сын Илья.
В 2015 году стало известно о романе актрисы с Дмитрием Исаевым. Знаменитости были вместе задействованы в спектакле «Варшавская мелодия». Их связывал не только общий проект, но и любовный интерес: во время гастролей в Сочи корреспонденты издания Super засняли объятия и поцелуи Дмитрия и Нонны. Когда СМИ начали активно обсуждать любовников, Нестеров даже улетел из России и некоторое время жил в доме в Черногории.
Виновники произошедшего отказались комментировать ситуацию. Супруг смог простить Нонну, и их брак не распался. Однако Нестеров поставил условие: Гришаева должна была прекратить любое общение с Исаевым, включая и совместную работу в театре.
