เจ้าฟ้าหญิงมารี แอนน์แห่งโปรตุเกส ทรงเข้าพระราชพิธีอภิเษกสมรสกับ แกรนด์ดยุกวิลเลมที่ 4 แห่งลักเซมเบิร์ก ซึ่งก่อนหน้านั้น เจ้าฟ้าหญิงมารี แอนน์ได้รับพระบรมราชานุเคราะห์จาก จักรพรรดิฟรันทซ์ โยเซ็ฟที่ 1 แห่งออสเตรีย ให้เป็นว่าที่พระวรชายาใน อาร์ชดยุกรูดอล์ฟ มกุฎราชกุมารแห่งออสเตรีย-ฮังการี พระราชโอรส แต่อาร์ชดยุกรูดอล์ฟ มิได้ทรงชอบพอด้วย โดยงานอภิเษกสมรสของเจ้าฟ้าหญิงมารี แอนน์ และ แกรนด์ดยุกวิลเลมที่ 4 นั้น จัดขึ้นเมื่อวันที่ 21 มิถุนายน 2436 ได้รับการสถาปนาที่ แกรนด์ดัชเชสรัชทายาท พระชายา มีพระราชธิดาดังนี้

จนกระทั่งวันที่ 17 พฤศจิกายน พ.ศ. 2448 แกรนด์ดยุกอดอล์ฟแห่งลักเซมเบิร์ก พระราชบิดาในพระราชสวามี สวรรคต ทำให้เจ้าชายวิลเลม รัชทายาท ได้เสด็จขึ้นครองราชย์เป็น แกรนด์ดยุกแห่งลักเซมเบิร์ก ทำให้ เจ้าหญิงมารี แอนน์ เจ้าหญิงรัชทายาท ได้รับการสถาปนาเป็น แกรนด์ดัชเชสแห่งลักเซมเบิร์ก พระวรชายา