Wkrótce zamieszkali razem, a ich związek stał się tajemnicą poliszynela w Hollywood. Ich związek budził zainteresowanie opinii publicznej z uwagi na różnicę wieku między nimi – dzieliło ich 37 lat, co wywołało falę spekulacji w prasie, która sugerowała, że O’Neill związała się z aktorem dla pieniędzy. Byli śledzeni przez agentów FBI z powodu skandalu z udziałem Joan Barry, która niesłusznie pozwała Chaplina o ojcostwo.
O’Neill i Chaplin pobrali się 16 czerwca 1943 podczas utrzymanej w tajemnicy uroczystości w urzędzie stanu cywilnego w miasteczku Carpinteria. By uniknąć zainteresowania prasy, O’Neill przyjechała do urzędu na pół godziny przed otwarciem placówki i sama załatwiała wszystkie formalności. Gdy tylko Chaplin wszedł do sali, urzędnik wezwał dziennikarzy poprzez wciśnięcie guzika pod biurkiem. Na uroczystości obecni byli tylko świadkowie – zaprzyjaźniony z parą dziennikarz i jego sekretarka. Po ślubie nowożeńcy zmuszeni byli uciekać przed pościgiem mediów.
Miała z Chaplinem ośmioro dzieci: Geraldine (ur. 1944), Michaela (ur. 1946), Josephine (ur. 1949), Victorię (ur. 1951), Eugene’a (ur.