แกรนด์ดยุกเซอร์เกย์แห่งรัสเซียและเจ้าหญิงเอลีซาเบ็ททรงอภิเษกสมรสเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2427 ณ โบสถ์หลวง พระราชวังฤดูหนาว กรุงเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก เจ้าหญิงมีพระนามใหม่ แกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ท เฟโอโดรอฟนา หลังจากการเข้ารีตนิกายออร์โธด็อกซ์รัสเซีย แกรนด์ดัชเชสพระองค์ใหม่ทรงสร้างความประทับใจแรกให้กับพระราชวงศ์ของพระสวามีและชาวรัสเซียได้อย่างดีเยี่ยม พระญาติคนหนึ่งของแกรนด์ดยุกเซอร์เกย์ทรงเล่าว่า "ทุกคนหลงรักพระองค์ตั้งแต่ช่วงเวลาแรกที่เสด็จถึงรัสเซียจากเมืองดาร์มชตัทอันที่เป็นที่รักของพระองค์" ทั้งสองพระองค์ประทับที่พระราชวังเบโลเซลสกี-เบโลเซอสกี กรุงเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก หลังจากแกรนด์ดยุกเซอร์เกย์ทรงได้รับการแต่งตั้งให้เป็นผู้ว่าการแห่งมอสโกในปี พ.ศ. 2435 ทั้งสองพระองค์ได้ประทับอยู่ในพระราชวังเครมลิน ในช่วงฤดูร้อน ทั้งสองพระองค์จะประทับที่ตำหนักอิลยินสโค พระราชฐานนอกกรุงมอสโก ซึ่งแกรนด์ดยุกทรงได้รับสืบทอดจากพระชนนี

ทั้งสองพระองค์ไม่มีพระโอรสและธิดาด้วยกัน แต่ตำหนักอิลยินสโคของพระองค์ยังเต็มไปด้วยงานเลี้ยงที่แกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ททรงจัดขึ้นสำหรับเด็กเป็นพิเศษอยู่เสมอ ในที่สุดทั้งสองพระองค์เป็นพระชนกและชนนีบุญธรรมของพระนัดดาที่กำพร้าสองพระองค์คือ แกรนด์ดยุกดมิทรี ปาฟโลวิชแห่งรัสเซีย และ แกรนด์ดัชเชสมาเรีย ปาฟลอฟนาแห่งรัสเซีย

แม้ว่าแกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ทจะมิทรงจำเป็นต้องมาเข้ารีตนิกายออร์โธด็อกซ์รัสเซียตามกฎหมายจากนิกายลูเธอรันของพระองค์ แต่ทรงสมัครใจที่จะกระทำเช่นนั้นในปี พ.ศ. 2434 แม้ว่าสมาชิกในพระราชวงศ์รัสเซียบางองค์จะสงสัยถึงเหตุจูงใจ แต่การมาเข้ารีตของพระองค์แสดงให้เห็นออกถึงความจริงใจ

ในวันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2448 แกรนด์ดยุกเซอร์เกย์ทรงถูกปลงพระชนม์ในพระราชวังเครมลินโดยกลุ่มปฏิวัติสังคมนิยม อันนำโดย อีวาน คาลยาเยฟ เหตุการณ์นี้สร้างความตกตะลึงแก่แกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ทอย่างมาก แต่พระองค์มิทรงเคยแสดงอาการใดออกให้เห็นเลย ต่อมาพระราชินีมารีทรงเล่าถึงสีพระพักตร์ของแกรนด์ดัชเชสว่า "ซีดเซียวและแข็งทื่ออย่างเสียใจ" และมิทรงเคยลืมคำกล่าวแสดงความเสียใจยังหาที่สิ้นสุดไม่ได้ของพระองค์ พระราชินีมารียังกล่าวอีกว่า "ทรงทิ้งตัวลงนั่งบนเก้าอี้อย่างอ่อนแรง นัยน์ตาแห้งผากและพร้อมกับจ้องมองอยู่ที่เดียวอย่างแปลกประหลาด ทรงมองออกไปยังอากาศธาตุ และไม่พูดอะไรออกมาสักคำ" เมื่อทรงมีแขกมาเยือนและจากไป พระองค์ทอดพระเนตรเหมือนกับไม่ทรงเห็นพวกเขา และตลอดช่วงวันของการลอบประชนม์พระสวามี พระองค์ทรงปฏิเสธที่จะกันแสง แต่พระราชินีมารีทรงเล่าถึงการปลดปล่อยการควบคุมพระองค์อย่างแข็งทื่ออกมา โดยในท้ายที่สุดแล้วทรงกันแสงออกมาอย่างหนัก ครอบครัวและพระสหายของพระองค์เกรงว่าพระองค์จะทรงประสบปัญหากับความล้มเหลวของระบบประสาท แต่ก็ทรงฟื้นคืนสู่การทำใจให้ยอมรับได้อย่างรวดเร็ว

แกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ทเสด็จไปเยียมคาลยาเยฟเป็นการส่วนพระองค์ในคุกคุมขังนักโทษ โดยทรงขอให้เขาพิจารณาถึงความรุนแรงในสิ่งที่กระทำลงไปและสำนึกผิดกับมัน ต่อมาพระองค์ทรงร้องขอกับสมเด็จพระจักรพรรดินิโคลาสที่ 2 ให้ทรงอภัยโทษแก่มือสังหารพระสวามี แต่นักปฏิวัติคนนี้ได้ปฏิเสธจะยอมรับการอภัยโทษและกล่าวหาแกรนด์ดัชเชสเอลีซาเบ็ทถึงการบิดเบือนข้อเท็จจริงในการสนทนาระหว่างเขากับพระองค์ คาลยาเยฟถูกแขวนคอในวันที่ 23 พฤษภาคม พ.ศ. 2448