Enfant joyeuse et charmante, elle est la préférée de son père, et passe aussi beaucoup de temps avec ses grands-mères. Lorsqu'Anne d'Autriche meurt en 1666, elle laisse une belle fortune à sa petite-fille. Si sa mère avait voulu la « jeter à la rivière » à la naissance car ce n'était pas un garçon, elle trouvera une seconde mère débordante d'affection en la personne de sa belle-mère Élisabeth-Charlotte de Bavière, la princesse Palatine.
Reine consort d'Espagne
En 1679, elle devient la première épouse de Charles II d'Espagne. Louis XIV souhaite mettre son beau-frère et cousin germain, dernier héritier d'une lignée ruinée par les unions consanguines, jugé débile et en fin de vie, sous influence française. N'ayant pas de fille, il lui propose sa nièce.
Effrayée à l'idée d'être unie avec un homme victime d'une lourde hérédité et vivant dans une cour sinistre, l'adolescente se jette, en public, aux pieds de son oncle pour qu'il renonce à ce projet : le Roi feint de croire à une farce et réplique, non sans ironie, qu'il n'était pas digne que la « reine catholique » (surnom des souveraines espagnoles) se jette aux pieds du « roi très chrétien » (surnom des rois de France). Voulant la raisonner, il lui demande également si elle pense qu'il aurait pu trouver meilleur mariage pour sa propre fille, ce à quoi Marie-Louise répond : « Non, mais vous auriez pu pour votre nièce », faisant par là référence à son potentiel mariage avec le dauphin. La jeune femme a de quoi être effrayée, l'étiquette espagnole étant encore plus codifiée et restrictive qu'en France, les reines et les infantes espagnoles étant notamment servies à genoux, entourées de gnomes et de duègnes.
Lors de son départ, redoutant qu'à l'instar de sa cousine Marguerite-Louise d'Orléans, grande-duchesse de Toscane, la princesse ne quitte son mari pour revenir en France, le roi dit à sa nièce : « Au revoir Madame, et pour toujours. »
Bien qu’elle soit réputée pour sa beauté lors de son mariage, son union sans amour avec le roi d’Espagne est pour elle cause de dépression et d’une obésité morbide. En butte à l'hostilité de la cour qui manipule le faible souverain et le monte contre son épouse, elle tombe quand même enceinte, mais ne mène pas sa grossesse à terme. Le couple demeure donc sans enfants, et le roi n’en aura pas davantage avec sa seconde épouse, Marie-Anne de Neubourg.
Comme sa mère, elle meurt à l'âge de 26 ans. Des rumeurs non confirmées prétendent qu’elle a été empoisonnée sur ordre du Conseil aulique, parce qu’elle n’avait pas eu d’enfant, mais aussi parce que l'amour que lui portait le roi[2] risquait de détacher celui-ci de l'alliance autrichienne alors que débutait la guerre de la Ligue d'Augsbourg.
Saint-Simon attribue l'exécution de ce crime à Olympe Mancini, comtesse de Soissons[2]. Les morts prématurées et suspectes donnaient souvent lieu au Grand Siècle à des rumeurs infondées, et Marie-Louise est plus vraisemblablement morte d'une intoxication alimentaire[3].