Leopoldina var nummer två i den brasilianska tronföljden efter sin syster Isabella under hela sitt liv. Hon undervisades tillsammans med sin syster och fick en hög utbildning. År 1864 beslöts att båda tronarvingarna skulle gifta sig. Deras far kejsaren proklamerade bröllopsplanerna inför senaten utan att nämna de tilltänkta äktenskapspartnernas namn. Därefter fördes två prinsar till Brasilien, och systrarna tilläts välja vilken av dem de ville ha.
Prinsessan likväl som hennes syster Isabella deltog i lektioner sex dagar i veckan, från tidig morgon till sen kväll. De kunde motta besök endast på söndagarna, vid högtider eller andra tillfällen när kejsaren avsatte tid för annat än studier. De bägge prinsessorna studerade ett flertal ämnen, däribland märks portugisisk litteratur, språk som portugisiska, franska, engelska, italienska, tyska, latin och grekiska. Utöver språk läste prinsessorna algebra, geometri, kemi, fysik, botanik, historia, kosmografi, teckning, måleri, piano, filosofi, geografi, politisk ekonomi, retorik, zoologi, mineralogi och geologi.
Bröllop
Leopoldina gifte sig 15 december 1864 med Ludwig August av Sachsen-Coburg-Gotha i Rio de Janeiro. Paret fick sig tilldelade en egendom strax intill kejsarpalatset som residens, ett palats som kallades Leopoldinapalatset. Leopoldina och hennes make delade sin tid mellan Brasilien och Europa, men återvände alltid till Brasilien vid tiden för Leopoldinas förlossningar. Under hennes sista graviditet 1870 vistades de dock i Europa, där de beslöt att stanna i fortsättningen.