Em 1874, casou-se com Alfredo, duque de Edimburgo, segundo filho da rainha Vitória do Reino Unido e do príncipe Alberto de Saxe-Coburgo-Gota, sendo a primeira e única Romanov a unir-se em casamento com um membro da família real britânica. Vivendo seus primeiros anos de casada na Inglaterra, Maria jamais adaptou-se à corte britânica nem superou sua antipatia pelo país adotivo. Posteriormente, ela acompanhou o marido quando este exerceu postos de comando como almirante da Marinha Real em Malta (1886-1889) e Devonport (1890-1893). Maria viajava muito pela Europa e visitava frequentemente a Rússia, além de passar longos períodos na Inglaterra e na Alemanha, participando de eventos sociais e familiares.

Em agosto de 1893, Alberto sucedeu seu tio, Ernesto II, como soberano do ducado de Saxe-Coburgo-Gota e a família passou a viver definitivamente na Alemanha. Ao contrário da aversão que nutria pela Inglaterra, Maria apreciava a vida no novo país, onde era ativa nos empreendimentos culturais e obras de caridade. Foi uma mãe presente e que apoiava fortemente as filhas, mas era bastante crítica com seu rebelde filho, que morreu jovem, em 1899. Seu marido morreu no ano seguinte.