28 августа 1874 года Мария вышла замуж за великого князя Владимира Александровича (1847—1909), третьего сына Александра II (брак стал возможен только спустя три года после знакомства: исповедующая лютеранство от рождения, Мария не хотела переходить в православие, наконец царь дозволил Владимиру Александровичу жениться на неправославной).
Приняла православие чрез миропомазание 10 апреля 1908 года, незадолго до смерти мужа, о чём был дан Высочайший манифест, повелевавший «именовать Ея Императорское Высочество Благоверною Великою Княгинею»
По смерти супруга заместила его на посту Президента Академии художеств (1909—1917) и за ним взяла на себя покровительство над берлинским православным Свято-Князь-Владимирским братством (1909—1920). Занимала исключительное положение в придворном обществе. Она была довольно амбициозна, говорили что даже императрица Александра Федоровна опасалась интриг Марии Павловны и старалась держаться от нее подальше. Придворный чиновник генерал А. А. Мосолов писал о ней в своих эмигрантских мемуарах: «Не существовало в Петербурге двора популярнее и влиятельнее, чем двор великой княгини Марии Павловны, супруги Владимира Александровича.»
После падения монархии уехала в Кисловодск; в феврале 1920 года, покинула Россию вместе с сыном на итальянском судне.
Из Венеции уехала во Францию на свою виллу в Контрексвиль, где умерла через несколько месяцев, 6 сентября 1920 года.
Супруги имели четырёх сыновей и дочь:
Мария Павловна оказалась одной из немногих членов императорской семьи, кому удалось вывезти свои драгоценности из России после революции. Часть её семейных реликвий в ноябре 1918 года была доставлена в двух наволочках в шведскую миссию в Петрограде поверенным лицом великой княгини профессором живописи Ричардом Берггольцем; Мария Павловна скончалась не успев сообщить членам своей семьи о переправленных в Швецию предметах. В январе 2009 года в архивах министерства иностранных дел Швеции были обнаружены ювелирные изделия, которые находились в хранилищах министерства с 1918 года: около 60 различных портсигаров и запонок из золота, серебра и ценных камней, выполненных фирмой Фаберже и шведскими мастерами из семьи Булин; предметы были переданы правительством Швеции наследникам Марии Павловны.
30 ноября 2009 года на торгах в аукционном доме «Сотбис» в Лондоне состоялись торги по продаже драгоценностей; вырученная сумма в семь раз превысила их предварительную оценку, превысив 7 миллионов фунтов стерлингов.