W kolejnych latach pozostawała w nieformalnych związkach z: aktorem Tate’em Donovanem (1992–1995), którego poznała podczas kręcenia komedii Eliksir miłości, zawodnikiem futbolu amerykańskiego Troyem Aikmanem (1995), aktorem Matthew McConaugheyem (1996–1998), Dweezilem Zappą (1998), Guyem Forsythe’em (1999), muzykiem Bobem Schneiderem (1999–2001) oraz aktorami Hugh Grantem (2001) i Ryanem Goslingiem (2001–2003).
W 2004 roku podczas zakupów świątecznych poznała Jessego Jamesa, konstruktora motocykli i gospodarza programu Monster Garage, którego poślubiła 16 lipca 2005. W listopadzie 2009 małżonkowie weszli na drogę prawną przeciwko byłej drugiej żonie Jamesa Janine Lindemulder, aktorce filmów pornograficznych, o prawo do wychowywania córki Jamesa i Lindemulder; ostatecznie Bullock i James otrzymali pełnię praw rodzicielskich pięcioletniej córki Jamesa. W marcu 2010 media ujawniły zdrady Jamesa, a kilka kobiet, w tym modelka pornograficzna Michelle McGee, przyznało się do uprawiania seksu z mężczyzną w trakcie trwania jego małżeństwa z Bullock. Po ujawnieniu skandalu Bullock anulowała występy promocyjne filmu Wielki Mike w Europie, powołując się na „nieprzewidziane przyczyny osobiste”.