Thicke blev gift tre gange: Hans første ægteskab varede fra 1970 til omkring 1984 med skuespillerinden Gloria Loring fra Days of Our Lives; de fik to sønner, Brennan og Robin. Han begyndte at date skuespillerinden Kristy Swanson, da hun var 17 år gammel i 1986 og blev forlovet med hende to år senere, da han var 42. Han giftede sig med sin anden kone, Miss World 1990 Gina Tolleson, den 13. august 1994 og fik en søn, Carter William Thicke, før deres skilsmisse blev afsluttet den 29. september 1999.
William Carter Thicke