Гагарина встретила Петра Кислова после участия в «Фабрике звезд-2». В то время Полине было 19 лет, Петру — 24. Полина пришла поступать в школу-студию МХАТ, где Петр работал ассистентом преподавателя. После того как Полину приняли в студию, между ними завязались отношения. Вскоре, когда Гагариной исполнилось 20 лет, они поженились, при этом Полина была на восьмом месяце беременности.
В октябре 2007 года у пары родился сын по имени Андрей. Спустя три года супруги развелись из-за частых конфликтов. После развода Полина высказалась, что Петр остается замечательным отцом, и они сохранили дружеские отношения.
«Петр для меня – близкий человек, который не может и не должен исчезать из моей жизни. Никогда не испытывала к нему негатива. Сложные характеры не позволили нам спокойно сосуществовать, но мы вовремя поняли, что не стоит травмировать друг друга и расстались без лишнего скандала», – поделилась она с журналистами портала WomanHit.
В 2012 году в жизни певицы появился барабанщик Борис Ионов, с которым она кратковременно встречалась. В социальных сетях они даже обновили статусы до «женат» и «замужем». Однако, как позже пояснила Гагарина, настоящей свадьбы между ними не состоялось.
В 2013 году Гагарина обратилась к московскому фотографу Дмитрию Исхакову для проведения фотосессии. После съёмки Дмитрий задержал передачу фотографий и предложил встретиться за чашкой кофе. Этот неформальный визит заложил основу их дальнейших романтических отношений.
Исхаков сделал предложение Гагариной у романтического Парижского Моста влюбленных, и в сентябре 2014 года пара официально поженилась. В апреле 2017 года у супругов родилась дочь, которую назвали Мия. «Мы с ним подходим друг другу, как элементы одной мозаики. Кроме того, мы похожи тем, что следуем голосу своего сердца», – делалась Гагарина в одном из своих интервью. К сожалению, этот брак также закончился разводом в 2020 году.
«Между нами не было ссор или споров о разделе имущества или опеке над детьми. Всё прошло мирно, без лишних переживаний. Я не стремлюсь привлекать внимание к своей личной жизни... Надеюсь, что всё разрешится тихо и с достоинством. В конце концов, у нас замечательные дети, которых мы оба любим. Сейчас наша основная задача — их воспитание. Это для нас важнее всего», – прокомментировала певица.
Летом предыдущего года в прессе появились сообщения о романтических отношениях Полины Гагариной с танцором Станиславом Миковым из её команды. Певица не делала официальных комментариев по этому поводу, однако несколько раз появлялась на публике в его компании. 20 марта она посетила премьеру мультфильма «Летучий корабль» вместе с Миковым и своей дочерью. До встречи с Полиной, Станислав был в отношениях с танцовщицей Оксаной Стратулат, с которой он также работал в балете у Гагариной. В социальных сетях они обращались друг к другу как муж и жена, но нет данных о том, что они были женаты официально.