הנסיכה מריה פבלובנה נולדה בסנט פטרבורג שבאימפריה הרוסית, ילדתם החמישית ובתם השלישית של פאבל, בנה הבכור של הקיסרית דאז, יקטרינה הגדולה, ורעייתו סופיה דורותיאה, נסיכת וירטמברג. מריה בילתה את ילדותה בארמונותיהם המפוארים של הוריה באזור סנט פטרבורג יחד עם תשעת אחיה ואחיותיה, ביניהם הקיסרים לעתיד אלכסנדר הראשון וניקולאי הראשון, ומלכת הולנד לעתיד אנה פבלובנה. הנסיכה מריה לא נחשבה ליפה משום שפניה הושחתו בילדותה כתוצאה מקבלת החיסון החדשני למחלת האבעבועות השחורות. סבתה יקטרינה, שהעריצה את כשרונה המוזיקלי של מריה, נפטרה בשנת 1796 ואביה הוכתר כצאר.
מריה פבלובנה התעניינה מאוד באמנות ומדע ונחשבה לאשה משכילה ביותר. היא התכתבה במשך שנים רבות עם המשורר הרוסי ואסילי ז'וקובסקי והשתתפה בשיעורים רבים באוניברסיטת יינה, שאת חלקם העביר המדען הנודע אלכסנדר פון הומבולדט. המשורר פרידריך שילר הקדיש לה את אחד השירים האחרונים שכתב והמשורר והסופר יוהאן וולפגנג פון גתה תיאר אותה בתור "אחת הנשים הטובות והמשמעותיות ביותר בזמנה". בשנותיה המאוחרות מריה הזמינה לחצר בוויימאר את המלחין פרנץ ליסט, אולם התחרשותה ההולכת וגוברת מנעה ממנה ליהנות מהמוזיקה.
מריה פבלובנה מתה בוויימאר ב-23 ביוני1859 בגיל 73 ונקברה לצד בעלה.