Małżeństwo W wieku 19 lat wyszła za mąż za zamożnego 30-letniego markiza Florenta Claude’a du Châtelet. Małżeństwo to było od początku tylko układem finansowym między dwiema rodzinami; mąż nie interesował się Émilie i pozwalał jej rozwijać zainteresowania matematyczne pod kierunkiem nauczyciela de Mézières. Nawiązała kilka mniej lub bardziej trwałych związków z bogatymi i wpływowymi mężczyznami (m.in. z Pierre'em Louis Maupertuis) – duża swoboda obyczajowa kobiet z wyższych sfer była normą w tamtej epoce. Émilie widywała męża bardzo rzadko (jako zawodowy wojskowy często wyjeżdżał), lecz urodziła mu troje dzieci m.in. Louis Marie Florent du Châtelet.
Związek z Wolterem Wśród licznych kochanków największy wpływ na Émilie miał Wolter, którego poznała w 1733 (pierwszy raz spotkali się, gdy była dzieckiem). Wolter zamieszkał w jej zamku w Cirey-sur-Blaise. Związek z Wolterem (który był przede wszystkim związkiem dwóch wybitnych osobowości) przetrwał kilkanaście lat, co nie przeszkadzało Émilie mieć w tym czasie innych kochanków.Wolter uważał ją przede wszystkim za człowieka, a nie tylko za kobietę;