Когда великой княжне ещё не исполнилось 15 лет, Наполеон I, желая породниться с русским императорским домом и тем укрепить дружественные отношения с Россией, просил в 1809 году, через французского посла Коленкура, руки Анны Павловны. Как и за год перед тем, при сватовстве Наполеона к великой княжне Екатерине Павловне, Александр дал уклончивый ответ, ссылаясь на юность великой княжны. В 1816 году 20-летняя Анна Павловна вступила в брак с нидерландским наследным принцем Оранским (с 1840 года королём Виллемом II). Этот брак позволил Оранской династии поправить свои финансовые дела, так как согласно Учреждению об императорской фамилии, великим княжнам при вступлении в брак полагалось денежное приданое в 1 млн руб. Анна Павловна занялась изучением голландского языка, литературы и истории Нидерландов и много заботилась об учреждении учебно-воспитательных заведений для детей из бедных семей; под её покровительством было основано до 50 таких приютов. Во время войны с восставшей Бельгией она на свои средства основала госпиталь и инвалидный дом.
В честь Анны Павловны в Нидерландах называется муниципалитет Анна Павловна.
Муж (с 1816) Вильгельм (Виллем) II Фредерик Георг Лодевейк Оранский (1792—1849), король Нидерландов и великий герцог Люксембурга с 1840. Командовал нидерландскими войсками при Ватерлоо (1815).
Дети: