क्लम ने 1997 में स्टाइलिस्ट रिक पिपिनो से शादी की; युगल ने 2002 में तलाक ले ली. तलाक के बाद, उन्होंने फ्लेवियो ब्रायटर से डेटिंग की. 2003 की शरद ऋतु में, क्लम ने घोषणा की कि वह ब्रायटर के संतान की मां बननेवाली थी. उसी दिन उन्होंने यह घोषणा की, फियोना स्वारोवस्की नामक एक आभूषण उत्तराधिकारिणी का चुम्बन लेते ब्रायटर की फोटो उतारी गई थी. क्लम और ब्रायटर उसके बाद बहुत जल्द अलग हो गए. 

क्लम ने 4 मई 2004 को न्यूयॉर्क शहर में अपनी पहली संतान, हेलेन (लेनी) क्लम (अब सैमुएल) को जन्म दिया. क्लम के मुताबिक, ब्रायटर, लेनी का जैविक पिता, बच्ची की जीवन में शामिल नहीं हैं; उन्होंने जोर देते हुए कहा है कि "सील लेनी के पिता हैं." 

2004 के आरम्भ में, गर्भवती होने के बावजूद क्लम ने संगीतकार सील के साथ एक रिश्ता की शुरुआत की. क्लम और सील ने 10 मई 2005 को मेक्सिको में एक समुद्र तट पर शादी कर ली. उनके एक साथ तीन जैविक बच्चे हैं: बेटे हेनरी गुंथर एडेमोला डाश्टू सैमुएल (जन्म 15 सितम्बर 2005) और जोहान रिले फ्योडर टाइवो सैमुएल (जन्म 22 नवम्बर 2006) और बेटी लोउ सुलोला सैमुएल (जन्म 9 अक्टूबर 2009). 2009 में, सील ने आधिकारिक तौर पर लेनी को अपनाया लिया और उसका अंतिम नाम बदलकर सैमुएल कर दिया गया.

एक जर्मन अखबार में अपने परिवार का उल्लेख एक "पैबन्दकारी परिवार" के रूप में होने बात सुनकर क्लम ने कहा, "मैं थी, जैसी, ठीक है, क्या यह अपमान है या सकारात्मक? मैंने इसके बारे में सील से बात की और हमलोग हैं, जैसे, यह वास्तव में बहुत बड़ी बात है—हम सब अलग-अलग रंग के हैं और हम लोग एक हो गए और हम सब एक दूसरे को प्यार करते हैं. वे इसे अश्वेत और श्वेत कह सकते हैं, लेकिन मैं श्वेत नहीं हूं, मेरा रंग भूरा है और हमारी बेटी, लेनी भी इसी रंग की है. उसका रंग सबसे हल्का है, तो मैं भी वैसी ही हूं, तो हमारा बेटा भी है और तब सील भी वैसे ही हैं. इसलिए मुझे लगता है, अरे, 'पैबन्दकारी परिवार' होना वास्तव में अच्छा ही है."

2008 में, क्लम एक देशीयकृत अमेरिकी नागरिक बन गई.

21 नवम्बर 2009 को उन्होंने आधिकारिक तौर पर अपने पति, सील, का उपनाम ग्रहण कर लिया और अब कानूनी रूप से हेइडी सैमुएल के नाम से जानी जाती हैं. हालांकि, उन्होंने अभी तक आधिकारिक तौर पर इस बात की घोषणा नहीं की है कि वह इस नाम का प्रयोग पेशेवर रूप में करेंगी या अपने मंच नाम के रूप "क्लम" का ही प्रयोग करती रहेंगी. जनवरी 2010 तक, उनका आधिकारिक वेबसाइट, heidiklum.com, अभी भी उनके पेशेवर नाम के रूप में "क्लम" का ही प्रयोग करता है.

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