В 1776 году великая княгиня Наталия Алексеевна скончалась от несчастных родов. Вскрытие показало, что роженица страдала дефектом, который не позволил бы ей родить ребенка естественным путем, и что медицина того времени была бессильна ей помочь. Павел Петрович не мог оправиться от потери супруги. Екатерина II, желая поскорее вытравить у него из сердца привязанность к покойной и склонить его к новому браку показала сыну неопровержимые доказательства, компрометировавшие поведение Наталии Алексеевны как супруги. Эта история сильно повлияла на характер Павла, сделав его подозрительным и неуравновешенным, позднее он не доверял ни своей второй жене, ни детям.
Почти сразу же после похорон начались поиски новой супруги для наследника. На этот раз среди немецких принцесс, из которых по традиции поставлялись невесты во все европейские дворы и которые были соответственно вышколены с этой целью, Екатерина сумела выбрать в своем роде совершенство. Этому способствовал прусский король Фридрих II. Он указал на Софию-Доротею Вюртембергскую. Наследник приехал познакомиться с ней в Берлин. При первом же свидании, зная о его серьезных вкусах, она завела с ним речь о геометрии и на следующий день описывала великого князя своей подруге в самых лестных выражениях и признавалась, что «любит его до безумия». Павел, которого за глаза называли «самый некрасивый человек империи», был пленен статной блондинкой с приятным лицом; на другой день он писал матери: «Я нашел свою невесту такову, какову только желать мысленно себе мог: недурна собою, велика, стройна, застенчива, отвечает умно и расторопно. Весьма проста в обращении, любит быть дома и упражняться чтением или музыкою». Принцесса описывалась современниками как «близорукая, статная, свежая блондинка, очень высокая, но склонная к преждевременной полноте».
После перехода в православие София-Доротея стала именоваться Марией Федоровной. В 1776 году состоялось бракосочетание. Молодой супруг написал «Наставление» – книгу, предназначенную жене. Это был некий кодекс правил, которым должна была следовать молодая жена. Была глава, где подробно описывалось, как следует относиться к свекрови: с уважением, не выражать недовольства, не жаловаться. Согласно кодексу правил, жена должна изучить русский язык, религию, историю, географию и политику России. Кроме этого, ей следовало быть экономной.
У Павла и Марии один за другим рождались дети. Шесть девочек и четыре мальчика: Александр I (1777–1825 годы), Константин (1779–1831 годы), Александра (1783–1801 годы), Елена (1784–1803 годы), Мария (1786–1859 годы), Екатерина (1788–1819 годы), Ольга (1792–1795 годы), Анна (1795–1865 годы), Николай I (1796–1855 годы), Михаил (1798–1849 годы). Два сына – Александр и Николай – стали российскими императорами.
Первенца молодой четы Александра взялась воспитывать бабка – Екатерина II. Мария Федоровна не высказала своего недовольства. Когда через два года у нее родился второй сын Константин, которого самодержица тоже взяла к себе, Мария Федоровна и тут смолчала. Екатерина поначалу ценила невестку за ее кротость, добродушие, говоря о ней: «Воск». Сын Марии Федоровны император Николай скажет позднее о матери иначе: «Чугун».
С появлением в молодой семье первого сына Екатерина II подарила Павлу и Марии участок земли, недалеко от Царского Села. Так появляется Павловск, где Мария Федоровна могла меньше общаться с императрицей. До восшествия на престол Павла I великая княгиня не играла роли ни в политике, ни в русской жизни вообще, что объясняется разладом между Екатериной II и ее сыном, хотя по отношению к свекрови молодая великая княгиня вела себя подчеркнуто почтительно и ни в чем не осмеливалась ей перечить, чем снискала благоволение государыни. Постепенно Екатерина увидела, что она стремится стать твердой опорой мужу, по ее мнению неоцененному. В душе императрицы, не испытавшей подобного чувства в собственном браке, зародилась глухое раздражение.
Свои будни Мария Федоровна посвящала обустройству любимой резиденции в Павловске.
После смерти Екатерины II на престол под именем Павла I взошел супруг Марии Федоровны. Во время коронации Павла I была коронована и Мария Федоровна. Так, спустя двадцать лет после того как немецкая принцесса приехала в Россию, она стала императрицей. Павловский дворец был ей подарен супругом после восшествия на престол.
Нравственная связь между супругами рухнула, когда после кончины Екатерины Павел узнал, что Мария Федоровна была в курсе планов матери об отстранении его от трона. Появление на свет малышей, которые теперь всецело принадлежали родителям, тоже ничего не изменило, хотя Павел был волен обращаться с ними, как хотел – «брал их на руки, танцевал с ними вокруг комнаты, словом, делал все, что нежный и любящий отец делает со своими детьми». На их долю почти не выпало любви и нежности. Николай Павлович с горечью вспоминал: «Моим детям было лучше, чем нам, которых учили только креститься в известное время обедни, да говорить наизусть разные молитвы, не заботясь о том, что делается в наших душах».