Leoni tuvo casada col actor David Duchovny. Casáronse'l 6 de mayu de 1997. La so primer fía ye Madelaine West Duchovny, que nació'l 24 d'abril de 1999 y el so fíu Kyd Miller Duchovny, nació 15 de xunu de 2002. El 15 d'ochobre de 2008, Leoni y Duchovny anunciaron la so separación per dellos meses, anque dempués volvieron tar xuntos. Tiempu dempués, anunciaron una nueva separación a fines de xunu de 2011. Anguaño siguen separaos.