Tim Burton è stato sposato dal 1989 al 1993 con l'artista Lena Gieseke, che ha lasciato per l'attrice e modella Lisa Marie, presente in alcuni dei suoi film. La loro relazione è durata fino al 2001.

Nello stesso anno, sul set de Il pianeta delle scimmie, Burton conosce Helena Bonham Carter, dalla quale ha avuto due figli: Billy Ray, nato nel 2003, e Nell, nata nel 2007. La loro relazione si è conclusa nel 2014. Il padrino dei loro figli è l'attore Johnny Depp.

Tenutosi da sempre distante dall'ambiente di Hollywood, Burton non si reca nella mecca del cinema se non per lavoro, mentre con la sua famiglia vive quotidianamente a Londra.

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