Życie prywatne Spotykał się z Jennifer Finch (1990), fotografką i wokalistką L7, i Kathleen Hanną (1991), liderką Bikini Kill. W latach 1993–97 był mężem Jennifer Youngblood, która była fotografem. Był związany także z aktorką Winoną Ryder (1997), Louise Post (1997) z grupy Veruca Salt, snowboardzistką Tiną Basich (1998–2000), aktorką Kari Wuhrer (1999–2002), kanadyjską basistką Melissą Auf der Maur (od września 2000 do lutego 2001) i piosenkarką Christiną Aguilerą (w marcu 2002). W kwietniu 2002 roku poznał Jordyn Blum, z którą wziął ślub 2 sierpnia 2003 roku. Mają trzy córki: Violet Maye (ur. 15 kwietnia 2006), Harper Willow (ur. 17 kwietnia 2009), na cześć wujka Dave’a Harpera Bonebrake'a i Ophelię (ur. 1 sierpnia 2014). Dnia 10 września 2024 Grohl za pośrednictwem swojego Instagrama poinformował, że został ojcem córki urodzonej z pozamałżeńskiego związku.
W marcu 2010 roku Joshua Homme (QOTSA) na oficjalnym kanale YouTube zespołu Them Crooked Vultures opublikował film, w którym ujawnił, że Dave Grohl ma poważne problemy z nadużywaniem kawy. Dwa tygodnie później Grohl trafił do szpitala z powodu następstw przedawkowania kofeiny.