12 октября 1799 года Елена была выдана замуж за наследного герцога Мекленбург-Шверина Фридриха Людвига. Так решил её отец-император. Взоры российского государя обратились к Мекленбургу в связи с тесным контактом этого герцогства с Пруссией, дружбой с которой он особенно дорожил. Спустя два месяца после свадьбы Фридрих Людвиг увёз свою пятнадцатилетнюю супругу в Мекленбург, где её сердечно встретили родители мужа.
Несмотря на нежность и тепло, которым девушку окружили в Мекленбурге, привыкнуть к новой обстановке ей было непросто. С собой Елена Павловна привезла Библию и множество молитвенников, которые, как она полагала, помогут ей не чувствовать себя оторванной от русской церкви. Чтобы невестка не ощущала одиночества и имела кусочек родины на немецкой земле, герцог Фридрих Франц намеревался построить в Людвигслюсте, считавшемся в то время резиденцией правителей Мекленбург-Шверина, православную часовню. Людвигслюст с его белым дворцом и великолепным парком, украшенным многочисленными фонтанами и цветниками, понравился Елене Павловне значительно больше, чем Шверин. Там она чувствовала себя более уютно, поскольку он чем-то напоминал места её детства.
В середине сентября 1800 года за два месяца до своего шестнадцатилетия в Людвигслюсте Елена Павловна родила сына, которого назвали Пауль Фридрих, в честь отца-императора и свёкра. Спустя два с половиной года, в последний день марта 1803 года, родилась дочь Мария. После этих родов молодая мать так и не оправилась. Она скончалась 24 сентября 1803 года, не дожив до девятнадцати лет и оставив своего мужа вдовцом с двумя маленькими детьми.
В Мекленбурге искренне переживали горе в семье герцога. В память о полюбившейся ему невестке Фридрих Франц велел воздвигнуть в дворцовом парке Людвигслюста над её могилой мавзолей, который стоит там до сих пор. На нем высечена надпись:
Великая княгиня, урождённая принцесса Вюртембергская Фредерика Шарлотта Мария, супруга младшего сына императора Павла I, великого князя Михаила, дочь Павла Вюртембергского, племянника императрицы Марии Фёдоровны.
Елена родилась 28 декабря 1806 года в Штутгарте. Её отец, брат вюртембергскго короля Вильгельма I, после его вступления на престол в 1816 году уехал с семьёй из Штутгарта в Париж, где прожил всю жизнь. Там и прошло детство будущей великой княгини. Во французской столице она получила отличное образование, проявляя особый интерес к литературе и философии, научилась ценить просвещённых собеседников, говорить легко и свободно.
В 1823 году состоялось обручение с младшим братом российского императора Александра I, брак был заключён год спустя. Немка по крови, Вюртембергская принцесса, нареченная при переходе в православие великой княгиней Еленой Павловной, проявила себя преданной России. Замечательный ум и редкие душевные качества привлекали в её петербургский салон выдающихся людей, среди которых были и поборники либеральных реформ. «Елена — это учёный нашего семейства», — отзывался о ней император Николай I. В Европе она была известна красотой, умом, изяществом манер и умением вести интересную беседу.
Елена Павловна была среди тех, кто подвигнул императора Александра II, наследовавшего престол, на отмену крепостного рабства в России, запрещение телесных наказаний, создание суда присяжных.
Она привлекала к себе выдающихся людей науки, искусства и литературы, оказывала покровительство художникам, музыкантам и писателям. Русской словесностью с великой княгиней Еленой Павловной занимался Василий Жуковский. Он привил в ней любовь и доброе отношение к Александру Сергеевичу Пушкину, которого она считала человеком выдающегося дарования. К поэту Елена Павловна проявила большое участие, предлагала всяческую помощь и проявляла искреннюю озабоченность.
Не понимаемая мужем и не слишком счастливая в браке, великая княгиня Елена Павловна решила вознаградить себя за недостаток личного счастья устройством счастья других. Она являлась одной из основательниц Крестовоздвиженской общины сестёр милосердия и Русского музыкального общества, а в 1862 году по её инициативе в Петербурге была открыта Консерватория. За осуществление этой идеи Елена Павловна взялась со всей пылкостью души, не останавливаясь перед личными материальными жертвами (продала даже свои бриллианты). Ещё за пять лет до отмены крепостного права в России Елена Павловна в 1856 году освободила крестьян в своём имении Карловка в Полтавской губернии.
