А в 1816 году Екатерина Павловна во второй раз вышла замуж, за принца Вильгельма Вюртембергского, того самого, которого однажды уже рассматривали в качестве ее жениха, но отвергли из-за его легкомысленного поведения. Как почти все немецкие принцы, жених приходился ей родственником, его отец одно время работал в Малороссии, под началом Потемкина, а потом в Выборге, и в детстве Вильгельм часто бывал в Петербурге. В те дни еще императрица Екатерина писала об отношении ее старших внуков к Вильгельму и его брату: «Здесь они не слыли приятными, и наши господа находили их общество до такой степени скучным, что бегали от них, как от огня», и жаловалась на их отца — старшего брата Марии Федоровны: «Принц Фридрих Вюртембергский — неуживчивый гуляка; на днях он бил принцессу Августу, таскал ее за волосы и наконец запер на ключ. Это было слишком даже для грубого немца, но этот немец является выборгским генерал-губернатором и должен вести себя достойно, не привлекая внимания». В конце концов Екатерина приказала принцу убираться из России, а принцесса Августа с детьми еще некоторое время жила в Петербурге, а затем в замке Лоде под Ревелем (Таллином). Когда Вюртемберг стал частью Рейнского союза, принц был вынужден вступить в армию Наполеона, однако участия в военных действиях в России не принимал, так как «очень кстати» заболел и вернулся на родину. После битвы при Лейпциге, когда его отец присоединился к союзникам, Вильгельм принял начальство над 7-м армейским корпусом, состоявшим из вюртембергских солдат и многих австрийских и русских полков. Он отличился в сражениях при Ла-Ротьере, Бар-сюр-Обе, Арси-сюр-Обе, Фер-Шампенуазе, но при Монтеро был разбит войсками Наполеона, втрое превосходившими его численностью. Позже отец и сын приняли участие в Венском конгрессе.
Молодую женщину и двух ее детей от первого брака (Вильгельм настоял, что они не останутся в России, а будут жить с матерью в Германии) ждал разоренный войной Вюртемберг. Землям грозил голод, их преследовали неурожаи. Кати (как начал звать ее муж) с энтузиазмом взялась за дело. Она выписывала на свои деньги лучших агрономов, и во многом благодаря их трудам голод отступил. В 1817 году Екатерина Павловна основала «благотворительное общество», содействовала устройству домов трудолюбия. А позже организовала в Вюртемберге Институт благородных девиц, дававший возможность получить образование девочкам-дворянкам из разорившихся семей.
Вильгельм после смерти отца взошел на престол. У супругов родились две дочери — Мария и София. И тут случилась беда: в январе 1819 года Екатерина Павловна скончалась от рожистого воспаления. Болезнь сразила ее молниеносно. Василий Андреевич Жуковский писал: «Государыне императрице Елисавете Алексеевне определено было испытать весь ужас неожиданной потери. Ее величество, ничего не предчувствуя, ехала в Штутгарт на веселое свидание с королевою: но она должна была воротиться с последней станции; ибо той, которая ждала ее, которую она надеялась обнять, уже не было на свете… Король с каким-то упрямством отчаяния долго не хотел и не мог верить своей утрате: долго сидел он над бездыханным телом супруги, сжавши в руках своих охладевшую руку ее, и ждал, что она откроет глаза. Окруженный ее детьми, он шел за ее гробом. Не долго она украшала трон свой, не долго была радостью нового своего отечества; но милая память ее хранима любовью благодарною. Близ Штутгарта есть высокий холм (Rothenberg), на котором некогда стоял прародительский замок фамилии Виртембергской — время его разрушило; но теперь, на месте его развалин, воздвигнуто здание, столь же разительно напоминающее о непрочности всех земных величий, церковь, в которой должны храниться останки нашей Екатерины: прекрасная ротонда с четырьмя портиками. Памятник необыкновенно трогательный: с порога этого надгробного храма восхитительный вид на живую, всегда неизменную природу. В штутгартской русской церкви, в которую приходила молиться Екатерина, все осталось (1821), как было при ней; кресла ее стоят на прежнем своем месте. Нельзя без грустного чувства смотреть на образ, которым в последний раз благословил ее государь император: на нем изображен святый Александр Невский, видны Нева, Зимний дворец, и над ними радуга — светлое, но минутное украшение здешнего неба».
В своей элегии «На кончину ее величества королевы Виртембергской» он пишет: