Родилась в Штеттине 14 октября 1759 года.
Отец — принц Фридрих Евгений Вюртембергский — состоял в прусской службе и лишь под старость сделался владетельным герцогом Вюртембергским. Молодая принцесса рано усвоила те взгляды, которые выражены в «Philosophie des femmes» — стихотворении, занесенном в тетрадь будущей императрицы: «нехорошо, по многим причинам, чтобы женщина приобретала слишком обширные познания. Воспитывать в добрых нравах детей, вести хозяйство, иметь наблюдение за прислугой, блюсти в расходах бережливость — вот в чем должно состоять её учение и философия».
В 1776 году, по смерти первой жены цесаревича Павла, Натальи Алексеевны, Мария Фёдоровна вышла замуж за наследника русского престола. До восшествия на престол Павла I не играла роли ни в политике, ни в русской жизни вообще, что объясняется разладом между Екатериной II и её сыном. Мария Фёдоровна была устранена даже от воспитания своих детей (великого князя Александра и Константина), которых немедленно по их рождении Екатерина II взяла к себе и руководила их воспитанием.
Вслед за восшествием на престол Павла I Мария Фёдоровна, 12 ноября 1796 года, была поставлена «начальствовать над воспитательным обществом благородных девиц». Императрица проявила большую энергию и привлекла в пользу общества много пожертвований. В 1797 году она вошла с особым мнением относительно преобразования общества, высказываясь против раннего поступления девиц (5 лет), в общество для воспитания, стараясь строго отделить благородных от мещанок и проектируя уменьшение числа последних. Павел I утвердил 11 января 1797 года «мнение» императрицы, не допустив, впрочем, уменьшения приёма мещанских детей. Составленные императрицей правила для приёма детей в «общество» «служат, говорит Екатерина И. Лихачёва, ясным подтверждением того, что цель Екатерины при основании общества — смягчение нравов путём воспитания и образования русского юношества — была оставлена тотчас после её смерти, а государственная, общественная идея, руководившая Екатериной, была заменена целями сословными и благотворительными».
2 мая 1797 года Мария Фёдоровна была назначена главной начальницей над воспитательными домами. Главную причину неудовлетворительной постановки воспитательных домов императрица увидела в том, что количество приносимых младенцев было неограниченно (следствием была чудовищная смертность среди поступивших детей), а потому 24 ноября 1797 года было повелено ограничить число лиц обоего пола, воспитывающихся в доме 500-ми в каждой из столиц, остальных приносимых в дом младенцев отдавать в казенные государевы деревни благонадежным и доброго поведения крестьянам на воспитание, с целью приучить питомцев правилам сельского домоводства; мальчиков оставлять у крестьян до 18-летнего возраста, девочек до 15 лет. В доме должны были воспитываться лишь совершенно слабые дети, требовавшие непрестанного ухода. Посетив Московский воспитательный дом в 1826 году и застав его перенаселённым, Мария Фёдоровна распорядилась оставить в составе воспитательного дома только классические курсы, а ремесленные классы для низших сословий — вывести в отдельное учебное заведение. Это заведение, базировавшееся в Слободском дворце, Московское ремесленное учебное заведение, стало ядром будущего МВТУ.
В честь Марии Фёдоровны названа Мариинская водная система, Мариинская больница в Петербурге, Мариенбург (район Гатчины).
Участие императрицы Марии Феодоровны в русской государственной жизни ограничивалось и в царствование сыновей её почти исключительно заботами о женском образовании. Благодаря её покровительству и отчасти содействию, в царствование Александра I основано несколько женских учебных заведений как в Петербурге, так и в Москве, Харькове, Симбирске и других городах.
Скончалась в 2 утра 24 октября 1828 года — после болезни, начавшейся 12 октября того же года. Погребена 9 ноября в Петропавловском соборе.
В память её установлен Мариинский знак беспорочной службы.
Имели 10 детей:
Вопреки данному в романе Валентина Пикуля «Фаворит» описанию, великая княгиня Мария Федоровна не отличалась могучим сложением. Размер ее сохранившегося свадебного платья всего 42-44 при росте 166—168 см.