В характере второй жены Павла I сочетались невозмутимость и мягкость. Со временем, однако, у Марии Фёдоровны испортились отношения и с Екатериной II, и с супругом.
В 1768 году Екатерина II озадачилась поисками невесты для восемнадцатилетнего наследника Павла Петровича. Эта ответственная задача была поручена датскому дипломату Ассебургу. Так как Германия была главным поставщиком невест для русских императоров, барон объездил все германские дворы в поисках достойной принцессы. В первую очередь девушка должна была понравиться Екатерине II. Приглянувшаяся поначалу София Мария Доротея Августа Луиза Вюртембергская была слишком юна (невесте едва исполнилось 13 лет), поэтому в 1773 году женой Павла стала принцесса Гессен-Дармштадтская Вильгемина, получившая в православии имя Наталья Алексеевна. Она скончалась через три года после свадьбы, не перенеся родов. В тот же день начались поиски новой невесты. По легенде, Екатерина показала сыну портрет Софии, которой уже было 16 лет, и Павел влюбился с первого взгляда.
10 июля 1776 года произошла первая встреча будущих супругов. С момента смерти первой жены Павла I прошло меньше трёх месяцев.
Павел вручил невесте инструкцию из 14 пунктов, как должна вести себя жена великого князя. Первый пункт обязывал тщательно соблюдать все церковные обряды и обычаи. Согласно второму, почтительно относиться к свекрови. Также София должна была уважать супруга и вести себя с ним так, как он того пожелает, вежливо и приветливо общаться с придворными, быть осторожной в общении с народом, уважать русский язык и историю, избегать интриг, не транжирить средства, не принимать советов ни от кого, а тем более от прислуги.
Их обвенчали 26 сентября 1776 года. В православии София стала Марией Фёдоровной. Молодожёны поселились в Царском Селе. Их жизнь поначалу была идиллией: они подолгу гуляли вдвоём и писали друг другу любовные записки. Марии Фёдоровне были чужды придворные интриги, которыми забавлялась императрица, поэтому их отношения вскоре значительно охладели, хотя невестка всегда относилась к свекрови почтительно и не оспаривала её решений даже тогда, когда Екатерина забрала старших сыновей Павла и Марии к себе на воспитание. Это были Александр и Константин, на которых императрица возлагала большие политические надежды.
Мария Фёдоровна была самой плодовитой императрицей в истории России — она родила 10 детей, из которых лишь дочь Ольга умерла в младенчестве.
На рождение первенца Александра Екатерина подарила супругам село Павловское. Мария Фёдоровна очень любила это место.
Здесь Павел Петрович с супругой проводили основную часть времени, не играя особой роли в политике. Во многом это было следствием непростых отношений Екатерины II с сыном. Она не скрывала того, что хочет видеть на престоле Александра вместо Павла. Также Екатерина была разочарована невесткой. Она возлагала на Марию Фёдоровну большие надежды, но та оказалась недостаточно честолюбивой.
Со временем охладели и отношения с супругом. Павел Петрович становился всё более замкнутым, подозрительным, неуравновешенным, он имел любовниц и не скрывал этого. Одной из его фавориток была фрейлина Екатерина Нелидова.
Он даже объявил своим придворным: «Уважение — к Нелидовой, презрение — к великой княгине». Обиженная супруга выбрала из двух зол меньшее и обратилась за помощью к Екатерине II. Свекровь дала простой совет: «Ответь изменой на измену. Престол российский укреплён тремя детьми, теперь можно и отдохнуть». Мария Фёдоровна прислушалась к совету императрицы, и, скорее всего, остальные семеро детей появились от разных любовников, но Екатерина II заставила Павла признать всех детей.
После смерти Екатерины II на престол, вопреки желанию покойной, взошёл Павел. 5 апреля 1797 года состоялась коронация. В статусе императрицы Мария Фёдоровна занималась женским образованием в стране.
Получив власть, Павел I переключил свою ненависть с матери на жену. Он устраивал публичные скандалы, обвиняя супругу в неверности. Мария Фёдоровна сохраняла невозмутимость, за что при дворе её прозвали чугунной императрицей. Её поведение в ночь убийства Павла только подтвердило это прозвище. Очевидцы утверждали, что её горе было наигранным, а первое, что сделала императрица, узнав о гибели мужа, — заявила о своих правах на престол, отказавшись от присяги своему сыну Александру.
В семейные дрязги вмешалась супруга Александра Елизавета Алексеевна, она сказала вдове: «Эта страна устала от власти толстой старой немки. Оставьте ей возможность насладиться молодым русским царём». Мария Фёдоровна согласилась на статус регентши при Александре. Вдовствующая императрица наконец почувствовала себя полноправной хозяйкой. И Александр I, и взошедший после него на престол Николай I с почтением относился к наставлениям матери.