14 sierpnia 1965 Vadim ożenił się z nową muzą Jane Fondą, z którą miał córkę Vanessę (ur. 28 września 1968). Wystąpiła w czterech filmach Vadima: ekranizacjach powieści – Arthura Schnitzlera Krąg miłości (La ronde, 1964), Émile’a Zoli Zdobycz (La curée, 1966) i jednej z nowel Edgara Allana Poego Trzy kroki w szaleństwo (Histoires extraordinaires, 1968) oraz w tytułowej kultowej roli fantastycznonaukowej atrakcyjnej międzygwiezdnej agentki w fantastyczny produkcji Barbarella (1968). 16 stycznia 1973 Jane Fonda i Roger Vadim rozwiedli się.
Wyreżyserował kilka filmów anglojęzycznych, w tym komedię kryminalną Ładne dziewczyny ustawiają się w szeregu (Pretty Maids All in a Row, 1971), w której wystąpili: Rock Hudson i Telly Savalas. 13 grudnia 1975 poślubił Catherine Schneider, z którą miał syna Vanię (ur. 6 kwietnia 1974), lecz 10 czerwca 1977 doszło do rozwodu. Następnie zrealizował dramat Wierna żona (Une femme fidèle, 1976) z Sylvią Kristel, dreszczowiec erotyczny Nocne gry (Night Games, 1980) z Joanną Cassidy, komedię kryminalną The Hot Touch (Gorący dotyk, 1981) z udziałem Wayne’a Rogersa i Samanthy Eggar oraz młodzieżowy komediodramat Przyjęcie – niespodzianka (Surprise Party, 1983), gdzie w obsadzie znaleźli się: Mylène Demongeot, Michel Duchaussoy, Philippine Leroy-Beaulieu i Maurice Ronet.