Когда в 1776 году умерла первая жена цесаревича Павла, Наталья Алексеевна, прусский король Фридрих II решил устроить брак Софии Доротеи с овдовевшим наследником русского престола. Для этого пришлось расторгнуть ее помолвку с принцем Гессен-Дармштадтским. Цесаревич из России приехал познакомиться с молодой невестой в Берлин, она ему понравилась, и вскоре состоялась их свадьба.
Большинство биографов описывают начало супружеской жизни этой четы как сплошную идиллию. Но это было не совсем так: Павел Петрович все еще тяжело переживал смерть своей первой жены, великой княгини Натальи Алексеевны, а также ее раскрывшееся увлечение «лучшим другом» — Андреем Разумовским. А на душе у шестнадцатилетней немецкой принцессы остался неприятный осадок от «торга» за ее руку между принцем Гессен-Дармштадтским и русским двором. Однако все условности были соблюдены. Павел Петрович сообщил матери: «Я нашел свою невесту такову, какову только желать мысленно себе мог». Будущая же императрица Мария Федоровна заверяла своего суженого: «Богу известно, каким счастьем представляется для меня вскоре принадлежать Вам».
В 1782 году супруги инкогнито совершили путешествие по странам Европы, представляясь как граф и графиня Северные (дю Нор). Посетив Версаль, Спа и Аахен, они заехали к родителям Марии Федоровны в Монбельяр. О своих отношениях с женой наследник написал графу Н. П. Румянцеву: «Мы уже восемь дней живем в семейном своем кругу. Это совсем новое для меня чувство, тем более сладкое, что оно имеет своим источником сердце, а не ум».
Со своей свекровью Екатериной II молодая невестка вела себя почтительно, ни в чем не осмеливаясь ей перечить, чем сразу расположила к себе государыню. Достоинства Марии Федоровны были налицо: домашнее образование в духе идей Руссо гармонично сочеталось в ней со строгим воспитанием, привычке к порядку и экономии. Однако Екатерина быстро охладела к невестке, заметив, что та стремится стать своему, по ее мнению — недооцененному, супругу твердой опорой. Самой императрице было незнакомо это чувство — в собственном браке она не испытывала ничего подобного, а единственного сына Павла не любила. В государыне пробуждаются раздражение и ревность. Екатерина II разлучает Марию Федоровну с ее детьми, великими князьями Александром и Константином, малолетними забрав их к себе, чтобы лично руководить их воспитанием.
До восшествия на трон Павла I Мария Федоровна не играла никакой роли ни в политике, ни в светской жизни России вообще, посвящая большую часть свободного времени обустройству любимой резиденции в Павловске, где основала первый в России литературный салон. Младших детей Марии и Павла воспитывала Шарлотта Ливен.
Обладая художественными способностями, Мария Федоровна увлекалась изобразительным искусством и скульптурой. Она создала множество утонченных миниатюр и изящных камей, занималась глиптикой, резьбой по кости, лепкой из воска, а также писала маслом. Ее учителем был известный медальер К. А. Леберехт. Мария Федоровна сама написала портреты своих детей, а также Павла I и Екатерины II. В 1820 году Берлинская академия художеств присвоила ей звание члена Академии.
После восшествия на престол супруга, Павла I, Мария Федоровна с 12 ноября 1796 года стала начальствовать над воспитательным обществом благородных девиц. На этом поприще она была очень деятельна и привлекла в пользу общества много пожертвований.
2 мая 1797 года Мария Федоровна была назначена главной начальницей над воспитательными домами России. Изучив состояние дел в этих домах, она осталась не удовлетворена им. Причиной чудовищной смертности среди поступавших в дома детей императрица посчитала то, что количество приносимых младенцев было неограниченным, а потому 24 ноября 1797 года велела ограничить количество лиц обоего пола, воспитывающихся в домах, пятьюстами в каждой из столиц. Остальных полагалось отдавать в казенные царские деревни на воспитание благонадежным крестьянам, чтобы приучить детей к правилам сельского домоводства: мальчиков до восемнадцатилетнего возраста, девочек — до пятнадцати лет. В домах же должны были воспитываться лишь слабые, требовавшие постоянного ухода дети.
По отзывам современников, в молодости Мария Федоровна была «близорукая, статная, свежая блондинка, очень высокая, но склонная к преждевременной полноте». Она всегда следила за собой, не позволяя опускаться до бытового уровня даже во время беременности. Императрица никогда не снимала с себя парадного платья, не носила капота, была неизменно затянута в корсет, подвижна, неутомима, никогда не сидела сложа руки, а занималась перепиской, вышивала, читала или собирала пожертвования.