Dickinson was van 1952 tot 1960 getrouwd met Gene Dickinson.
Ze had een goede relatie met Frank Sinatra, die ze vaak “de belangrijkste man in haar leven” noemde.
Ze bleven goede vrienden tot aan zijn dood in 1998.
Van 1965 tot 1980 was Dickinson getrouwd met Burt Bacharach.
Samen kregen ze in 1966 een dochter.
Ze werd drie maanden te vroeg geboren, wat leidde tot chronische gezondheidsproblemen.
Ook bleek ze het syndroom van Asperger te hebben.

Dickinson sloeg veel rollen af om meer tijd met haar dochter door te kunnen brengen.
Uiteindelijk besloot ze haar onder te brengen in het Wilson Center.
Op 4 januari 2007 pleegde haar dochter zelfmoord in haar appartement in Los Angeles