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Côté coeur, l'actrice épouse le réalisateur et scénariste français Roger Vadim, le 18 mai 1967. Ensemble, ils donnent naissance à une petite fille prénommée Vanessa. La star divorce en 1972 avant de se remarier un an plus tard avec le sénateur Tom Hayden. Le couple met au monde un garçon, Troy Garity et adoptent une petite fille. Après leur séparation, l'actrice se remarie encore une fois avec, cette fois-ci, le magnat de la presse américaine Ted Turner. Elle le quitte finalement après avoir découvert sa liaison avec une autre femme. Le couple américain divorce en 2001. Entre 2009 et 2017, elle entretient une relation avec le producteur Richard Perry.