В 1816 году Анна вышла замуж за одного из победителей Наполеона на поле Ватерлоо нидерландского принца Вильгельма (Виллем). Это был настоящий воин, бился с Наполеоном в Испании, а потом под командованием герцога Веллингтона вышел на поле Ватерлоо, где и отличился во главе голландской армии. «Юный лягушонок» — так называли, из-за зеленого цвета мундиров голландской армии, ее юного военачальника. Принц уже давно — еще в 1812 году — посватался за Анну, но тогда Петербург молчал: принц, как и его отец, король Виллем I, были для России никем — еще в 1795 году их выгнал из Голландии Наполеон, а на ее престол посадил своего братца. Победа союзников над Наполеоном все изменила. Голландия обрела независимость, и короля Виллема I и его сына-наследника голландцы встречали с энтузиазмом. Как рассказывала сама Анна, «после сражения при Ватерлоо все дело сдвинулось: принц просил руки великой княжны у императора Александра», причем прямо на месте бывшего сражения, во время встречи с императором Александром на ферме Белль-Альянс — на месте отчаянного боя в 1815 году, в котором принц и был ранен в плечо. Дело было в принципе улажено, прекрасный союз почти состоялся, но слово Анны все равно считалось решающим. По этому поводу Мария Федоровна писала: «Если моя дочь, познакомившись с принцем, будет питать надежду на то, что она будет с ним счастлива, то она сама решит свою судьбу добровольным избранием, на которое я в таком случае дам свое согласие». Поэтому принц Виллем был приглашен в Петербург, он приехал в 1815 году, понравился Анне и произвел на всех хорошее впечатление.
Свадьбу сыграли в начале 1816 года, и празднества продолжались до лета: 6 июня в Павловске был устроен роскошный праздник в честь новобрачных в любимом Марией Федоровной Розовом павильоне Павловска и в Царском Селе. Во время ужина были прочитаны стихи, которые написал сам Пушкин, за что получил в награду за них от императрицы Марии золотые часы, сохранявшиеся до конца его жизни. Молодожены отправились в Голландию, и опять, как всех своих дочерей, Мария Федоровна долго провожала Анну — до Каскова — второй почтовой станции на Нарвской дороге.
Женитьба Виллема была одобрена Штатами — парламентом Нидерландов. В принятом ими постановлении с откровенным прагматизмом отмечалось, чем выгоден голландцам этот брак: политическая и династическая связь «с могущественной Россией желательна для Нидерландов, ибо другие нации теперь не смогут посягнуть на благополучие и независимость Нидерландов...» Кроме того, «Штаты надеются, что расширение и упрочение связей с Российской империей приведет к увеличению успехов и благополучия нидерландской коммерции».
Голландия... Анна мало знала об этой стране, совсем не похожей на Россию. Как писал ее современник Николай Бестужев, побывавший в Нидерландах, «я увидел море, висящее над землею, увидел корабли, плывущие выше домов и вместо болот возделанные поля, тучные пажити, чистые и красивые городки... Чрезвычайная чистота, домы маленькие, но красивые, с блестящими стеклами, мостовая, на которой не видно и соринки, довольный вид жителей... Ласковый прием страннику в земле чуждой примиряет его с разлукой. Прекрасное место!»
Голландия сразу понравилась Анне. Она полюбила эту удивительную страну, выучила голландский язык, много путешествовала по Голландии и Бельгии, которая входила в состав королевства Нидерланды, и хорошо узнала шумный, торговый Амстердам, песчаный Гелдерланд, зеленую Зеландию, провинциальную столицу Гаагу, даже не имевшую тогда статуса города, пастбища Фрисландии, город знаменитого Времейера Делфт, старые аббатства Миддельбурга, похожий на Париж Брюссель, суровый средневековый Гент. Летом молодые жили под Утрехтом, а зимой перебирались в Брюссель — вторую после Гааги столицу Нидерландов. Там Анна блистала на балах и в ложе театра.
Довольно скоро стало ясно, что супруги — очень разные люди. Чопорная, строгая, исполненная имперского духа, Анна по воле судьбы оказалась в демократической стране и поэтому оставалась чужой для голландцев. Как-то раз на церемонии с участием Анны начался страшный ливень, все побежали в укрытие или спрятались под зонты. И только одна Анна, как ни в чем не бывало, стояла под дождем — она не могла допустить, чтобы зонт над ней держал просто лакей, а придворных поблизости не было. Муж хотя и говорил по-голландски хуже нее (детство и юность он провел в эмиграции в Англии), но слыл настоящим голландцем, был неприхотлив, как солдат, и мог жить в военном шатре, крестьянском доме, наслаждаться деревенским застольем, увлекаться порой простыми поселянками... А Анна хотела, чтобы все было, как в Петербурге.
Когда в 1840 году, после отказа отца от престола, Виллем стал королем Виллемом II и был коронован в Амстердаме, Анна Павловна отдала все свои бриллианты, чтобы сделать мужу путную корону, и потом все время поддерживала в нем дух честолюбия и королевской чести.