Спустя двенадцать лет после начала их связи император поселил Екатерину Долгорукую в Зимнем дворце. «Смятенной душой он невольно стремился к единственному человеку, пожертвовавшему для него своей честью, светскими удовольствиями и успехами, к человеку, думающему об его счастье и окружившему его знаками страстного обожания. Княжна Долгорукая сделалась для него столь необходимой, что он решил поселить ее в Зимнем дворце…» — писал М. Палеолог. Государь распорядился, чтобы для княжны выделили и меблировали покои. Екатерина Михайловна поселилась в комнатах, расположенных как раз над теми, которые занимала страдающая от чахотки императрица Мария Александровна. Государыня встретила такое соседство стоически, хотя знала о роковом романе мужа гораздо подробнее, чем многие придворные дамы. Но ни единым словом не дала она знать о своих невыносимых муках, ни разу никому не пожаловалась, ни с кем не разделила свою боль. Детям не было сказано ни одного дурного слова ни об их отце, ни о княжне Долгорукой. Лишь однажды у государыни вырвались такие слова: «Я прощаю оскорбления, наносимые мне как императрице. Но я не в силах простить мучений, причиненных супруге». Мария Александровна знала, что неизлечимо больна. Возможно, мысль о приближающейся смерти помогала ей хранить самообладание. Императрица умерла 3 июня 1880 г., вскоре после того, как у Александра Николаевича и княжны Долгорукой родилась дочь Екатерина. На отпевании супруги в соборе Петропавловской крепости император выглядел потерянным, глаза его были заплаканы. Никто не сомневался в искренности переживаний Александра Николаевича, но, наверное, более всего его мучило чувство безмерной вины перед этой женщиной. Во время болезни Марии Александровны не было дня, чтобы он не пришел справиться о ее здоровье. Правда, многие видели в этом лишь дань приличию. Но кто может заглянуть в человеческую душу?
Спустя месяц после похорон Александр II сказал Екатерине: «Петровский пост кончится в воскресенье, 6-го. Я решил в этот день обвенчаться с тобой перед Богом». Даже ближайшие друзья пришли в ужас, когда узнали о том, что царь решил венчаться. «Венчание вдогонку похоронам» шло наперекор всем русским традициям, соблюдение которых было святой обязанностью государя. Несмотря на то, что никогда еще за всю историю династии Романовых ни один царь не венчался подобным образом, Александр II не изменил своего решения. Ничто не могло остановить его: ни падение собственного престижа, ни возмущение и даже презрение общества. Выждав ровно 40 дней траура, «раб Божий благоверный государь император Александр Николаевич обручился с рабой Божьей Екатериной Михайловной». Скромный обряд совершился в походной церкви, размещенной в одном из залов Царскосельского дворца. Наконец Александр Николаевич смог исполнить клятву, данную когда-то возлюбленной: при первой же возможности жениться на ней, ибо навеки считал ее женой своей перед Богом. Когда церемония завершилась, государь сказал любимой: «Как долго я ждал этого дня! Целых четырнадцать лет. Я боюсь своего счастья. Я боюсь, что меня Бог скоро лишит его».
В тот же день Александр II подписал указ о вступлении его в морганатический брак с княжной Долгорукой с предоставлением ей титула и фамилии светлейшей княгини Юрьевской. То же имя и титул получили их дети. «Император пожелал сделать меня своей супругой, я вполне счастлива и никогда не позволю себе выйти из этой скромной роли», — объявила придворным Екатерина Михайловна. При дворе заговорили, что уже заказан вензель для новой императрицы — Е III. На сцену русской истории вот-вот должна была взойти Екатерина Третья…
Сразу после заключения брака государь поспешил обеспечить материально свою жену и детей, у которых не было никакого личного состояния. Согласно составленному им завещанию, положенная в банк сумма в размере трех миллионов трехсот двух тысяч девятисот семидесяти рублей в процентных бумагах являлась собственностью княгини Юрьевской и их общих детей. Поспешность, с которой император заботился о будущем своей семьи, была совсем не случайна. И дело здесь не столько в возрастной разнице супругов, сколько в ежедневной опасности, которой подвергался Александр II.