11. července 1643 se v Louvru devětadvacetiletá Mademoiselle de Vendôme provdala za o deset let mladšího Karla Amadea Savojského, vévodu z Nemours. Mladý princ byl členem vedlejší větve rodu Savojských, která se usadila ve Francii. Mladý princ byl přímý potomek Filipa II. Savojského, stejně jako Alžběta. Měli spolu dvě dcery, které se provdaly za dědice savojského a portugalského trůnu, a tři syny, kteří zemřeli krátce po narození.
V roce 1652 byl její manžel zabit jejím bratrem Františkem při duelu. Alžběta ho přežila o dvanáct let a zemřela 19. května 1664 ve věku 49 let v rodné Paříži. Podařilo se jí zajistit příjem z Nemours pro své dvě dcery, ale tituly zdědili další členové rodiny.
Potomci
Za devět let manželství Alžběta porodila šest dětí, z nichž se dospělosti dožily dvě dcery: