มาเรีย เฟโอโดรอฟนาทรงประสูติในเมืองสเตติน ปรัสเซียเมื่อวันที่ 25 ตุลาคม พ.ศ. 2302 เป็นพระธิดาของฟรีดริช อ็อยเกนแห่งเวือร์ทเทิมแบร์ค และ โซเฟีย โดโรเธียแห่งบรันเดนบูร์ก-ชเวดต์ เป็นพระธิดาองค์โตในทั้งหมดแปดพระองค์ของครอบครัว ในปี พ.ศ. 2312 ขณะที่พระองค์มีพระชนมายุ 10 ชันษา ครอบครัวได้ย้ายที่ประทับไปอยู่ที่ปราสาทมองต์เบอลิอาร์ต ซึ่งปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของฟรานช์-กอมเต พระอนุชาของพระองค์ อเล็กซานเดอร์แห่งเวือร์ทเทิมแบร์คก็ประสูติที่นั่น มองต์เบอลิอาร์ดเป็นที่ประทับของเจ้านายสายเล็กแห่งเวือร์ทเทิมแบร์ค นอนจากนั้นยังเป็นศูนย์กลางของวัฒนธรรมและสัญลักษณ์ทางปัญญาและทางการเมือง ส่วนพระตำหนักฤดูร้อนของครอบครัวอยู่ที่เมืองเอทูบส์ ซึ่งปัจจุบันอยู่ในฝรั่งเศส

การศึกษาของเจ้าหญิงโซฟีนั้นดีกว่าค่าเฉลี่ยของเวือร์ทเทิมแบร์ค ทรงได้รับการปลูกฝังให้รักศิลปะทุกชนิด ในขณะที่มีพระชนมายุสิบหกชันษา ตรัสภาษาเยอรมัน ฝรั่งเศส อิตาเลียนและละติน เมื่อพระชนมายุสิบเจ็ดชันษา โซฟี โดโรเธียมีพระวรการที่สูง ร่างอวบ มีพระปรางสีแดงดอกกุหลาบ ทรงเป็นคนที่แข็งแกร่ง รอบคอบ อ่อนโยนและไร้เดียงสา ทรงพระภูษาแบบฝรั่งเศสที่ถูกปรับเปลี่ยนให้เรียบง่ายแบบชนชั้นกลางเยอรมัน ซึ่งมีผลจากความมีคุณธรรมในครอบครัวพระองค์

ในปี พ.ศ. 2316 โซฟี โดโรเธียทรงเป็นหนึ่งในกลุ่มเจ้าหญิงเยอรมันที่จะเป็นพระชายาของซาร์พอลที่ 1 ในอนาคต ขณะนั้นเจ้าหญิงโซฟี โดโรเธียยังมีพระชนมายุไม่เต็มสิบสี่ชันษา และเจ้าหญิงวิลเฮลมินา หลุยซาแห่งเฮสส์-ดาร์มสตัดช์ซึ่งมีพระชนมายุสูงกว่าได้รับเลือกแทน