Анна Мария Луиза была умной девочкой, она понимала душевное состояние своего младшего брата Жана Гастона, и по-матерински заботилась о нем. Принцессе нанимали лучших учителей, которые обучали ее искусству, литературе, поэзии, музыке, танцам, иностранным языкам и этикету. Анна Мария Луиза владела французским, немецким, английским, испанским языками и освоила латынь. Она прекрасно знала историю и географию Европы, разбиралась в родословных всех европейских династий, увлекалась ботаникой и сама выращивала цветы в саду Боболи. Любовь к искусству и литературе передалась ей по наследству от предков Медичи. От матери принцесса унаследовала страсть к театру, музыке и пению: у нее были прекрасный слух и голос, она играла на нескольких музыкальных инструментах. Интеллигентность, такт, чувство собственного достоинства и хорошие манеры у девушки были врожденными, последняя представительница рода Медичи оказалась достойной прапраправнучкой Элеоноры Толедской. От нее ей передалась любовь к жемчугу, который она предпочитала любым драгоценным камням.
Анна Мария Луиза изучала историю своей династии и гордилась предками, портреты которых висели во дворце: Козимо Старший, Лоренцо Великолепный, Козимо I, королевы Екатерина и Мария Медичи. Она восхищалась ими, и ей казалось, что все они смотрят на нее с портретов и ожидают от нее очень многого. Принцесса не хотела их подводить, она старалась быть достойной представительницей своего рода.
Анна Мария Луиза была очень красивой женщиной и осталась такой до самой старости. Ей посчастливилось не унаследовать врожденное уродство ее предков по линии Габсбургов – это было больше характерно для мужчин. На придворном портрете кисти тосканского художника Антонио Франки принцесса изображена в возрасте 23 лет: нежное, овальное, слегка вытянутое лицо с легким румянцем, большие темно-карие глаза, густые черные волосы, прямой нос, средней полноты губы с изящным, красивым изгибом. У нее была хорошая фигура, которая с годами не изменилась. Принцесса занималась спортом на свежем воздухе, конной ездой и охотой, в еде она всегда была умеренна. Анна Мария Луиза унаследовала не сумасбродный характер своей матери, а жесткий, холодный и авторитарный характер своего отца и бабушки Виктории делла Ровере. Она хорошо разбиралась в политике, была религиозной, но в меру, без фанатизма. По мнению ее отца, Анна Мария Луиза управляла бы Тосканой лучше, чем ее братья. Но салический закон не позволял женщинам наследовать престол. Как ни пытался Козимо III добиться для любимой дочери этой привилегии, император его просьбу отклонил.
Великий герцог долго искал подходящего кандидата в мужья для своей дочери. В 1669 году, когда принцессе было всего два года, французский король Людовик XIV предложил в будущем выдать ее замуж за своего старшего сына, дофина Людовика. Дальнейшей перспективой было стать королевой Франции, Анна Мария Луиза была бы уже третьей из рода Медичи. Но Козимо III не принял предложение – он не хотел еще одного французского брака. К тому же мать, Маргарита Луиза Орлеанская, распространяла неприятные сплетни о дочери и муже, что тоже помешало этой помолвке.
Герцог Тосканский вступил в переговоры с королем Португалии Педру II и предложил свою дочь ему в жены. Педру овдовел в 1683 году, и португальские министры искали ему новую невесту. Но они опасались, что принцесса унаследовала капризный характер своей матери и сможет чрезмерно повлиять на их слабохарактерного правителя. Поэтому они отказались от этого предложения, и Педру II женился на Марии Софии Нойбургской, сестре будущего мужа Анны Марии Луизы Иоганна Вильгельма Виттельсбаха, курфюрста Пфальцского.
Переговоры о браке с испанским королем Карлом II и с герцогом Виктором Амадеем Савойским тоже закончились ничем. Виктор Амадей Савойский предпочел жениться на Анне Марии Орлеанской, второй дочери Филиппа Орлеанского, младшего брата Людовика XIV. А Карл II первым браком был женат на Марии Луизе Орлеанской, старшей дочери Филиппа Орлеанского. По легенде, когда шестнадцатилетней принцессе сообщили о том, что ей предстоит стать королевой Испании, между ней и королем Людовиком состоялся разговор. Людовик XIV сказал ей: «Я не мог бы сделать большего для собственной дочери», на что Мария Луиза ответила: «Да, сир, но Вы могли бы сделать большее для своей племянницы». Французская принцесса вышла замуж за испанского короля, и они полюбили друг друга. Но она умерла в 1689 году в возрасте 26 лет, скорее всего, от приступа аппендицита. Детей в этом браке не было. Карл II был безумно влюблен в жену и тяжело переживал ее смерть. Но нужен был наследник престола, и испанское правительство приступило к поискам второй жены для своего монарха.