10 stycznia 1893 roku poślubiła w Sigmaringen następcę tronu Rumunii, księcia Ferdynanda. Wydała na świat sześcioro dzieci: Karola II (ur. 3 października 1893), Elżbietę, królową Grecji (ur. 29 września 1894), Marię, królową Jugosławii (ur. 6 stycznia 1900), Mikołaja (ur. 5 sierpnia 1903), Ileanę (ur. 23 grudnia 1908), Mirceę, który zmarł w wieku czterech lat na dur brzuszny.
Małżeństwo nie było szczęśliwe. Księżna Maria, prowadząca długoletnią korespondencję z amerykańską tancerką, pisała w tajemnicy o odczuciach do swojego męża: niechęć, która wzrosła do wstrętu. Historycy zgadzają się, że ojcem księcia Mircei był jej długoletni kochanek Barbu Știrbey. Co do księżniczki Ileany nie ma już takiej pewności, podobnie jest z księżniczką Marią, przyszłą królową Jugosławii. Ojcostwo Ferdynanda w wypadku trzech najstarszych dzieci jest dość pewne.
W 1897 roku Maria miała romans z porucznikiem Zizi Cantacuzene. Związek ten stał się powszechnie znany, ale został szybko zakończony przez króla Karola I. W tym samym roku Maria zaszła w ciążę. Księżna udała się do matki do Coburga i więcej o dziecku nie słyszano. Spekulowano, że urodziło się martwe, lub zostało oddane do sierocińca.