В первые годы его работы в шоу Saturday Night Live у Билла Мюррея завязались романтические отношения с Гилдой Рэднер, которая тоже была частью актерского состава этого проекта. В 70-х у пары была пользующаяся популярностью у аудитории серия скетчей The Nerds. Несмотря на недолгий роман, Мюррей всегда говорил о Рэднер с теплотой. «Гилда была поистине необыкновенной и яркой личностью. Мне никогда не нравилось смешить кого-либо больше, чем ее. Никогда», — отмечал артист в 2015-м.
Со своей первой женой Мюррей познакомился на съемках фильма «Добровольцы поневоле» (1981). Маргарет Келли работала координатором талантов. В январе 1981 года они тайно сыграли свадьбу в Лас-Вегасе. По словам Маргарет, Билл давно планировал эту поездку, но не делился с ней деталями задуманного, пока они не выехали из Калифорнии.
«Я действительно собиралась ссориться, но потом подумала: "Давай просто сделаем это". Он все это спланировал, и я подумала: "А, ну и ладно"», — рассказывала она журналу Rolling Stone. В этом союзе на свет появились двое сыновей: Гомер (1982) и Люк (1985). В 1996 году Мюррей и Келли разошлись. Расставание было болезненным и сопровождалось долгими судебными тяжбами. СМИ писали, что причиной развода стал роман актера с дизайнером костюмов Дженнифер Батлер и их совместный внебрачный ребенок.
Всего через год после развода с Маргарет Билл женился на Батлер. Она известна по своим работам над такими фильмами, как «Последний из могикан» (1992) и «День сурка» (1993). У пары четверо сыновей: Калеб (1993), Джексон (1995), Купер (1997) и Линкольн (2001).
Дженнифер подала на развод в 2008 году. В прилагаемых документах она заявляла, что Мюррей исчезал на длительное время без предупреждения и регулярно употреблял марихуану и алкоголь. Во время одной из ссор между супругами в 2007 году, по словам Батлер, актер ударил ее по лицу и сказал, что ей «повезло, что он ее не убил». Билл выплатил бывшей избраннице 7 миллионов долларов.
После расставания со второй женой официально об отношениях актера ничего неизвестно. Он говорил в одном из интервью, что было бы здорово сходить на свидание, но для этого есть ряд препятствий: «Но есть много того, чего я не делаю, хотя мне нужно, например, работать над собой, заниматься саморазвитием или чем-то еще… чтобы лучше понимать себя».
В 2023 году ходили слухи, что Мюррей встречается с певицей Келис, которая почти на тридцать лет младше. Они несколько раз были замечены вместе, актер посещал концерт исполнительницы в Лондоне. В марте 2025-го Билл опроверг, что между ним и Келис когда-либо была романтическая связь. Актер в шутку отметил, что эти слухи пошли на пользу его имиджу, заявив, что пресса была настолько хороша, что это «действительно подняло его авторитет».
В том же году Биллу приписывали отношения с другой женщиной — актрисой Джинни Берлин, с которой они вместе пришли на премию Screen Actors Guild Awards. Джинни нежно держала своего спутника за руку и постоянно что-то шептала ему на ухо. Здесь никаких комментариев со стороны звезд не последовало.
