Являясь невесткой царского дома, Елизавета не обязана была менять свое вероисповедание, однако фанатичная преданность религии и желание посвятить себя прославлению Христа побудили ее принять православие. В течение долгого времени она не решалась этого сделать, поскольку знала, что семья отца ее не поймет, ведь никакой политической необходимости в смене вероисповедания не существовало.
В октябре 1888 года Елизавета вместе с мужем отправилась в «Землю обетованную», чтобы освятить только что построенный в Гефсиманском саду русский храм Святой Марии Магдалины. В то время Россия вела в Палестине активную миссионерскую работу: приобретала новые земли и памятники, строила церкви и монастыри. До глубины души потрясенная красотой храма на Елеонской горе, Елизавета, охваченная порывом, воскликнула: «Как я хотела бы быть похороненной здесь». Тогда она не знала, что эти слова были пророческими.
После посещения Иерусалима Елизавета уже больше не сомневалась в том, что ей необходимо стать православной. В письме к отцу она просила понять свою «блудную» дочь и разрешить ей следовать собственной дорогой. Великий герцог Людвиг Гессен-Дармштадский не одобрил намерения дочери, однако Елизавета не отступилась от своего решения, и 13 апреля 1891 года совершилось таинство миропомазания великой княгини.
В скором времени Сергея Александровича назначили на пост московского губернатора. Находясь в удалении от пышного царского двора, Елизавета все более стремилась отойти от светской жизни. В эти дни ей приходилось переживать не только непонимание со стороны мужа, но и смерть своего отца.
Губернаторша занялась благотворительностью. Она посещала больницы для бедняков, оказывала помощь приютам для беспризорников, раздавала еду и одежду тем, кто в этом особенно нуждался.
Трагические события первых лет царствования в России ее сестры Алисы – смерть императора Александра и давка на Ходынском поле – еще более усилили стремление Елизаветы к душевному подвигу во имя отечества, которое стало ей родным. Во время Русско-японской войны Елизавета Федоровна занялась организацией помощи фронту. В Кремлевском дворце она устроила швейные мастерские, в которых трудилось огромное количество женщин.
Однако благотворительность и сострадание уже были не способны спасти Россию, которая находилась на краю пропасти. 5 февраля 1905 года террорист Иван Каляев совершил убийство Сергея Александровича: подложенная им бомба разнесла на куски тело губернатора. Елизавета Федоровна, узнав о случившемся, сразу же прибыла на место происшествия и, не обращая внимания на уговоры властей не приближаться к останкам мужа, собственноручно собрала куски тела и сложила их на носилки.
После гибели мужа Елизавета решила окончательно удалиться от мирской суеты. 10 февраля 1909 года в присутствии сестер основанной ею Марфо-Мариинской обители она сняла с себя траурные одежды и облачилась в монашеское одеяние со словами: «Я оставлю блестящий мир, где я занимала блестящее положение, но вместе с вами я восхожу в более великий мир – в мир бедных и страдающих». С этого момента великая княгиня превратилась в настоятельницу обители и посвятила всю оставшуюся жизнь служению обездоленным и убогим.
Сестры-монахини и послушницы были сиделками созданной при Марфо-Мариинской обители больницы для бедных. Одновременно на территории монастыря существовали сиротский приют и общежитие для бездомных. В те времена в Москве настоящим рассадником нищеты, беспризорности и мелкой преступности был Хитров рынок. В сопровождении своих верных монахинь Елизавета Федоровна постоянно посещала притоны Хитрова рынка, где она собирала сирот и уговаривала опустившихся родителей отдать ей на воспитание детей. Не один раз власти предупреждали княгиню-монахиню об опасности, которой она подвергает свою жизнь. Елизавета каждый раз, ссылаясь на волю Божию, отвечала: «Подобие Божие может быть иногда затемнено, но оно никогда не может быть уничтожено».
Приближались революционные события, и именно те, кому великая княгиня оказывала самоотверженную помощь, кого обогревала и кормила в своей обители, отплатили ей черной неблагодарностью. Уже в феврале 1917 года к обители подошла толпа с красными флагами и винтовками, потребовавшая выдать им немецкую шпионку и сестру ненавистной императрицы, которая якобы хранила в своем монастыре оружие. Елизавета сама предстала перед разъяренной толпой и, потребовав оставить винтовки у входа, предложила войти в церковь и обыскать ее.
В то время как толпа осматривала каждый закуток обители, Елизавета Федоровна отрешенно молилась. В связи с этими событиями она писала: «То, что мы живем, является неизменным чудом». Но, когда по поручению кайзера Вильгельма весной того же года в Россию приехал шведский министр, предложивший великой княгине помощь в выезде за границу, она категорически отказалась.