Το 2006, ο Άρμστρονγκ έτρεξε στον μαραθώνιο της Νέας Υόρκης, συγκεντρώνοντας 600.000 δολάρια για την εκστρατεία του LiveStrong. Αποχώρησε από το LiveStrong τον Οκτώβριο του 2012 μετά την έκθεση της USADA σχετικά με τη χρήση φαρμάκων που βελτιώνουν την απόδοσή του.
Ο Άρμστρονγκ παντρεύτηκε το 1998 την Κρίστιν Ρίτσαρντ, ένα στέλεχος δημοσίων σχέσεων που γνώρισε μέσω του ιδρύματός του για τον καρκίνο. Το ζευγάρι απέκτησε έναν γιο, τον Λουκ, τον Οκτώβριο του 1999, χρησιμοποιώντας σπέρμα που είχε καταψυχθεί πριν ο Άρμστρονγκ ξεκινήσει χημειοθεραπεία. Οι δίδυμες κόρες, Ιζαμπέλ και Γκρέις, γεννήθηκαν το 2001. Το ζευγάρι κατέθεσε αίτηση διαζυγίου το 2003. Στη συνέχεια, έβγαινε με τη Sheryl Crow, τη σχεδιάστρια μόδας Tory Burch και τις ηθοποιούς Kate Hudson και Ashley Olsen.
Τον Δεκέμβριο του 2008, ο Άρμστρονγκ ανακοίνωσε ότι η φίλη του, Άννα Χάνσεν, ήταν έγκυος. Το ζευγάρι έβγαινε μαζί από τον Ιούλιο μετά τη γνωριμία τους μέσω του φιλανθρωπικού έργου του Άρμστρονγκ. Το αγοράκι, Maxwell Edward, γεννήθηκε στις 4 Ιουνίου 2009. Μια κόρη, η Olivia Marie, ακολούθησε στις 18 Οκτωβρίου 2010.
Τον Ιούλιο του 2013, ο Άρμστρονγκ έγινε και πάλι πρωτοσέλιδο όταν αναφέρθηκε ότι θα συμμετείχε στην ετήσια μεγάλη ποδηλατοδρομία The Des Moines Register’s Annual Great Bicycle Ride Across Iowa, έναν ποδηλατικό αγώνα σε όλη την πολιτεία που χρηματοδοτείται από την εφημερίδα.
«Γνωρίζω πολύ καλά ότι η παρουσία μου δεν είναι εύκολα αποδεχτή, ενθαρρύνω τον κόσμο αν θέλει να δώσει ένα high-five», δήλωσε ο Άρμστρονγκ λίγο μετά την ανακοίνωση της είδησης, σύμφωνα με την Daily Mail. «Αν θέλετε να με απαξιώσετε είμαι οκέι με αυτό. Είμαι μεγάλο αγόρι και όπως έστρωσα θα κοιμηθώ».
Το 2015, ο Άρμστρονγκ επέστρεψε στην πίστα του Γύρου της Γαλλίας για να συμμετάσχει σε μια φιλανθρωπική εκδήλωση για τη λευχαιμία, μία ημέρα πριν από την έναρξη του αγώνα.
