Актриса была официально замужем два раза. Но своих троих детей она родила от двух разных гражданских мужей.
Бизнесмен Рикардо Медину, с которым звезда была знакома ещё со школы, стал её первым официальным мужем. Джованна Антонелли и её муж прожили вместе всего четыре года и расстались в 2001 году по обоюдному согласию.
Актриса недолго оставалась одна и после долгих месяцев съемок всемирно известного сериала «Клон» сблизилась с исполнителем его главной роли — Мурилу Бенисио. Они не смогли расстаться после длительных съемок и во время популярного телешоу объявили о своей любви друг к другу, чем несказанно порадовали своих многочисленных поклонников. В 2005 году у Джованны и Мурилу родился сын, которого родители назвали Пьетро, а вскоре после рождения сына пара объявила о расставании.
В 2007 году Джованна Антонелли, семья для которой всегда играла важную роль, вновь вышла замуж, и её новым избранником стал американский бизнесмен Роберто Локасцио. После пышной свадьбы в Италии актриса была намерена переехать с новым мужем в США. Однако осуществить мечту помешал бывший гражданский муж Джованны, не давший разрешение на переезд сына. Судебные разбирательства с Мурилу Бенисио закончились разводом с Роберто Локасцио. Этот брак просуществовал всего 4 месяца.
В настоящее время спутником жизни знаменитой актрисы является режиссер Леонардо Ногейра. Они познакомились в 2009 году на съемочной площадке, а в ноябре 2010 года они стали родителями двух очаровательных дочек — Антонии и Софии. Несмотря на рождение детей, их брак до сих пор не зарегистрирован.