À moins de 2 ans, elle perd son père, et sa mère retourne à Vienne en 1576 sans avoir pu l'emmener. Marie-Élisabeth ne revoit jamais sa mère. Elle grandit au château d'Amboise, loin de Paris et des guerres de religion qui ravagent le royaume à la même période.
Malade et de santé fragile, elle est néanmoins ramenée dans la capitale où elle meurt en 1578 à l'âge de 5 ans. La petite princesse presque orpheline fut pleurée et regrettée de la cour à cause de sa gentillesse, de sa grâce et de sa douceur.
Elle fut inhumée dans un caveau de la basilique Saint-Denis, auprès de son père. Le , le caveau fut profané par les révolutionnaires et ses restes furent jetés à la fosse commune. En 1817, elle fut ré-inhumée dans l’ossuaire de la basilique.
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