佟大爲和關悅相識於是2001年，當時佟大爲在拍攝《玉觀音》，而那時關悅剛從日本回國不到一年，還是北京電影學院學生。隨着《玉觀音》的播出，佟大爲逐漸走紅。那時佟大爲也是剛剛走出失戀的陰影，關悅則不時的安慰佟大爲，兩人也因此而走近並最終發展爲男女朋友。2004年，佟大爲憑藉電視劇《玉觀音》奪得第22屆中國電視金鷹獎觀衆喜愛的電視劇男演員獎，同年主演電視劇《與青春有關的日子》。佟大爲和關悅一直相戀到了2007年。兩人在2007年曾分手過一段時間，2007年《奮鬥》的播出讓佟大爲人氣飆升，那時的他有些自我膨脹，面對關悅的勸誡非常不滿，所以與關悅分手。後來作爲關悅的好友董璇也公開透露，佟大爲與關悅相戀的前兩年非常不懂事，這讓關悅多次失望並甩了佟大爲。兩人和好則是在關悅拍狄仁傑的時候，佟大爲忍不住主動示好，並去看望了關悅，由此兩人又複合了。而在分手的那段時間，佟大爲也曾過着夜夜笙歌的日子。佟大爲最後反思自己，又回到了關悅的身邊。據佟大爲自己說，在兩人再次複合後，還遭到了關悅老媽的反對，認爲佟大爲不靠譜，但關悅堅持了下去，於是關悅老媽還找到佟大爲，專門和佟大爲進行了一次嚴肅的談話。
其實在兩人結婚前，還有傳佟大爲和江一燕的“緋聞”。佟大爲自己也承認，當年與江一燕一起拍攝內地第一部膠片電視劇《我們無處安放的青春》，自己的媽媽看到這部劇以後，感覺兩個人非常默契，甚至語重心長地要求佟大爲乾脆就找江一燕做兒媳。不過，佟大爲笑言對江一燕只能是兄妹之情。當時由於一個未娶一個未嫁，難免就有緋聞傳出，甚至有緋聞還相當離譜。有關“佟大爲包養女主角江一燕”的傳聞，曾經是愈傳愈烈。面對“包養門”事件，佟大爲直呼“冤枉”，並堅決否認了他和江一燕的緋聞。對於“包養”的傳聞，佟大爲深感“無聊”。他說，平時面對這樣的不實傳聞，他往往只是保持沉默，不會發表任何意見，更不作任何無謂的迴應。直到佟大爲和關悅結婚，所謂的“包養門”才告一段落，也不攻自破了。
2007年8月20日，佟大爲與關悅領取了結婚證，正式成爲夫妻。如今的佟大爲和關悅，不僅是演藝圈中的“模範夫妻”，也已經有了兩人愛情的結晶。佟大爲坦言自己在與異性交往時，不斷地提到自己的老婆和孩子，時刻表明自己是已經有主的人。因爲他深知自己肩上的擔子，同時也深知自己需要做一個懂得珍惜的人。事實也證明，關悅當年並沒有看錯人。
