เจ้าหญิงลูอีส ทรงเสกสมรสกับ เจ้าชายเฟรเดอริกแห่งชัมเบิร์ก-ลิพเพอ เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2439 ณ พระราชวังอมาเลียนบอร์ก ซึ่งเป็นสถานที่ประสูติของพระองค์ รับพระราชทานพระอิสริยยศที่ เจ้าหญิงแห่งชัมเบิร์ก-ลิพเพอ พระชายา โดยมีพระบุตร 3 พระองค์ดังนี้

1. เจ้าหญิงมารี ลูอีสแห่งปรัสเซีย
2. เจ้าชายคริสเตียนแห่งชัมเบิร์ก-ลิพเพอ
3. เจ้าหญิงสเตฟานีแห่งเบ็ตเท็มและสไตน์เฟิร์ต

โดยภายหลังการเสกสมรสนั้น ชีวิตคู่ของพระองค์ไม่ค่อยราบรื่นนักและระหองระแหงเป็นอย่างมาก โดยพระบุตรอาศัยอยู่กับพระสวามี ณ ราชอาณาจักรโบฮีเมีย เจ้าหญิงลูอีสจะเสด็จไปทรงเยี่ยมพระโอรส ธิดาและพระสวามี 2-3 ครั้งต่อปี โดย สมเด็จพระเจ้าเฟรเดอริกที่ 8 แห่งเดนมาร์ก พระราชบิดาจะเสด็จพระราชดำเนินทรงเยี่ยมพระราชนัดดาและพระชามาดา (ลูกเขย) ทุกครั้ง ภายหลังที่พระองค์สิ้นพระชนม์ พระสวามี ทรงเสกสมรสใหม่กับ เจ้าหญิงอ็องตัวแน็ตแห่งอันฮัลท์