Tim es hijo de la comerciante Jean Burton y de Bill Burton, un ex jugador de béisbol y trabajador del parque de su localidad natal, Burbank. Desde niño el mundo del pequeño Burton se nutría de cómics y antiguas películas de terror y fantasía, entre ellas las protagonizadas por su gran ídolo, Vincent Price, disfrutando de las adaptaciones que Roger Corman hizo de uno de sus escritores favoritos, Edgar Allan Poe.    

En 1989, Burton se casó con la artista alemana, Lena Gieseke, de la cual terminó divorciándose poco tiempo después de la filmación de Batman Returns. Posteriormente estuvo comprometido con Lisa Marie desde 1992 hasta el 2001. Actualmente está comprometido con Helena Bonham Carter -desde su separación de Marie -, y tienen dos hijos: un varón llamado Billy-Ray Burton -nacido en octubre del 2003 y cuyo padrino es el amigo de Burton, Johnny Depp -, y una niña nacida en diciembre del 2007. Cabe señalar que, Bonham Carter ha aparecido en todas las películas de Burton desde el 2001. Contrario a lo que algunos creen, la pareja no vive en casas separadas en Londres y conectadas por medio de un túnel. Cuando Boham Carter fue cuestionada en Friday Night with Jonathan Ross acerca de estos reportes, reveló que viven en dos casas conectadas por un pasillo y que sí duerme en otra habitación, dado que Burton ronca.

En una ocasión, Bonham Carter ha comentado que la razón para el estilo y visión únicos de dirección de su prometido es que ella cree que Burton sufre del Síndrome de Asperger, una poco habitual forma de autismo. Ha dicho que esto ha ayudado a inspirar su cretividad y no es un defecto sino una gran virtud.