În 2008, a devenit atât cel mai nou model pentru Calvin Klein Jeans, cât și purtătoare de cuvânt pentru cele mai noi genți de lux Coach.
Deoarece bunicii ei au suferit de boala Alzheimer, cartea Still Alice a avut un impact asupra ei. A contactat autoarea, Lisa Genova, și mai târziu a obținut un rol principal în versiunea cinematografică a cărții.
Ea are heterocromie, o afecțiune în care ochii au culori diferite: are un ochi albastru și un ochi care este parțial căprui / parțial albastru.
A avut o relație cu actorul Orlando Bloom din 2002 până în 2005.
La mijlocul anului 2011, a început să se întâlnească cu regizorul american Michael Polish, pe care l-a cunoscut mai devreme în acel an când el a regizat-o în Big Sur. Au anunțat logodna în august 2012 și s-au căsătorit pe 31 august 2013. A devenit mama vitregă a lui Jasper, fiica lui Polish dintr-o căsătorie anterioară, despre care Bosworth a spus că a fost „cel mai mare cadou neașteptat din viața ei”. În august 2021, a anunțat separarea de Polish și au fost divorțați legal în martie 2023.
În ianuarie 2022, s-a raportat că se întâlnește cu actorul Justin Long. În aprilie 2023, cuplul a anunțat logodna și s-au căsătorit în mai 2023, la mai puțin de două luni după ce s-au logodit.