Решение династических вопросов императрица сочла нужным вскоре продолжить, поспешив женить юного племянника. После долгих дипломатических дискуссий в невесты Петру Федоровичу была выбрана ангальт-цербстская принцесса София Фредерика Августа, прибывшая в феврале 1744 года в Россию вместе со своей матерью княгиней Иоганной Елизаветой. Княгиня происходила из Голштейн-Готторпского дома и была родной сестрой принца Карла Августа, того самого жениха цесаревны Елизаветы, который скоропостижно скончался в 1727 году вскоре после помолвки. Добрая память о нем особенно располагала Елизавету Петровну в пользу невесты племянника и ее матери. Во время их первой встречи в Москве 9 февраля Иоганна Елизавета поцеловала руку императрицы и сказала: «Повергаю к стопам вашего величества чувство глубочайшей признательности за благодеяния, оказанные моему дому". Елизавета Петровна ответила: „Я сделала малость в сравнении с тем, что бы хотела сделать для моей семьи; моя кровь мне не дороже вашей“. Между императрицей и княгиней завязался оживленный разговор, который Елизавета Петровна вдруг прервала и вышла в соседнюю комнату. Потом княгине объяснили, что императрица была поражена необыкновенным сходством ее с покойным братом; она не смогла удержаться от слез и поспешила удалиться, чтобы их скрыть.
Невеста Петра Федоровича, в то время пятнадцатилетняя девочка, сохранила яркие воспоминания о первой встрече с Елизаветой Петровной. Впоследствии она писала в своих мемуарах: «Когда мы прошли через все покои, нас ввели в приемную императрицы; она пошла к нам навстречу с порога своей парадной опочивальни. Поистине нельзя было тогда видеть ее в первый раз и не поразиться ея красотой и величественной осанкой. Это была женщина высокого роста, хотя очень полная, но ничуть от этого не терявшая и не испытывавшая ни малейшего стеснения во всех своих движениях; голова была также очень красива; на императрице в этот день были огромные фижмы, какие она любила носить, когда одевалась, что бывало с ней, впрочем, лишь в том случае, если она появлялась публично. Ее платье было из серебряного глазета с золотым галуном; на голове у нее было черное перо, воткнутое сбоку и стоявшее прямо, а прическа — из своих волос со множеством брильянтов». В тот же день Елизавета Петровна возложила на своих будущих родственниц знаки ордена Святой Екатерины.
Вскоре отношение императрицы к принцессе Иоганне Елизавете изменилось, поскольку та ввязалась в придворные политические интриги в пользу Пруссии и Франции. В мае 1744 года Лесток даже сказал ей: «Можете, ваше высочество, готовиться к отъезду и укладываться». Вслед за тем между Елизаветой Петровной и Иоганной Елизаветой произошел длительный неприятный разговор, после которого первая появилась «с лицом очень красным и с видом разгневанным», а вторая — «с красными глазами и вся в слезах». Дело состояло в том, что принцесса в разговорах с Шетарди допустила не очень лестные отзывы об императрице, о чем стало известно из перехваченных депеш французского дипломата.
После этого объяснения Елизавета Петровна несколько смягчилась, но тем не менее продолжала обращаться с Иоганной Елизаветой холодно и сдержанно. Но это не распространялось на ее дочь, которой императрица выказывала знаки внимания и даже любви.
Двадцать восьмого июня 1744 года София Фредерика Августа крестилась по православному обычаю и была наречена Екатериной Алексеевной. Видимо, такое сочетание имени и отчества выбрала сама Елизавета Петровна в память о своей матери, что лишний раз подчеркивало самые добрые чувства императрицы к невесте наследника. На следующий день, в тезоименитство Петра Федоровича, состоялось его обручение с Екатериной.
Год спустя, 21 августа 1745 года, Петр и Екатерина вступили в брак. Свадебные торжества продолжались с перерывами в течение десяти дней и отличались великолепием, о чем Елизавета Петровна особенно позаботилась. Не только придворные, но и все дворяне должны были исполнить императорский указ: «…Понеже сие торжество чрез несколько дней продолжено быть имеет, то хотя для оного каждой персоне, как мужеской, так и дамам, по одному новому платью себе сделать надобно". Программу празднеств составили балы с маскарадами и лотереями, обеды, ужины, а также пешее шествие императрицы и молодоженов «с придворными и другими кавалерами" в Невский монастырь.
Вскоре после свадьбы Елизавета распрощалась наконец с тещей Петра Федоровича, чрезвычайно надоевшей ей своими интригами. Двадцать восьмого сентября принцесса Ангальт-Цербстекая выехала из Петербурга, получив на прощание пятьдесят тысяч рублей и два сундука с материями и другими подарками. При расставании она упала на колени перед императрицей и «со слезами просила прощения, если чем-нибудь оскорбила ее величество. Елисавета отвечала, что теперь уже поздно об этом думать, лучше было бы, если бы она, принцесса, всегда была так смиренна». В этом эпизоде выразилось свойственное Елизавете неумение и нежелание забывать обиды.