Fille de Gaston d’Orléans frère de Louis XIII et de Marie de Bourbon Montpensier et petite fille d’Henri IV. Elle tenait son titre de duchesse de Montpensier de sa mère, Marie de Bourbon, duchesse de Montpensier, richissime et unique héritière d’une branche cadette des Bourbons. On disait que la Grande Mademoiselle était la princesse la plus riche et la plus titrée d’Europe. À sa naissance, elle se retrouva la plus riche héritière du royaume de France, sa mère étant morte en la mettant au monde. Mariée contre son gré pour que la fortune des Montpensier soit attribuée à la famille royale, et peut-être jaloux de la richesse de sa fille, son père Gaston d’Orléans lui porte peu d’affection. Il se remarie par amour en 1632, avec Marguerite de Lorraine sans l’assentiment du roi. De ce fait, la nouvelle duchesse d’Orléans vit plus de 10 ans en exil à Bruxelles auprès de la reine mère Marie de Médicis, elle aussi en exil, pendant que Gaston intrigue contre le pouvoir royal et son représentant, le cardinal de Richelieu.
Marguerite n’est autorisée à être présentée à son royal beau-frère Louis XIII qu’après la mort du cardinal et peu avant celle du roi en 1643.
Elle prend une part active à la Fronde et prend la tête de l’armée des princes et entre sans coup férir dans Orléans. Pour protéger la retraite de Condé, elle fait tirer le canon de la Bastille contre les troupes royales. Après la rentrée du roi à Paris le roi l’exile trois ans en Bourgogne., elle se retire à Saint-Fargeau. Sur ses terres de Saint-Fargeau, de 1652 à 1657, elle se lance dans l’écriture de mémoires dont elle poursuit la rédaction au château d’Eu, en Normandie. Dans ce récit elle raconte ses souvenirs comme une poignante confession. Elle brosse son portrait, confie ses états d’âme sans fausse pudeur et même avec un certain talent, teinté d’égotisme. Encore lues de nos jours, ses mémoires sont un témoignage important et, somme toute, unique de la vie d’une femme au 17ème siècle, prisonnière de son éducation et de son rang.
Elle n’est rappelée à la cour qu’en 1657. En 1670, à l’âge de 43 ans, elle tombe amoureuse du futur duc de Lauzun un gentilhomme cadet de Gascogne, bellâtre et volage, de 6 ans plus jeune, qui lui fait une cour assidue. Le roi interdit le mariage et fait enfermer le prétendant dix années à la citadelle de Pignerol. Pour l’en faire sortir, la Grande Mademoiselle doit faire donation de quelques biens au fils naturel de Louis XIV, le duc du Maine. Elle n’obtint de Louis XIV la permission de l’épouser qu’en 1681.
L’union n’est pas heureuse, le duc se lasse très vite de sa femme et les époux se séparent en 1685. Cela provoque l’un des plus grands scandales que la cour n’ait jamais connus. Les écrits de La Rochefoucauld, du cardinal de Retz ou même ceux de madame de Sévigné ne sont pas tendres. Malgré son immense fortune, son avarice légendaire ne contribue pas à lui attirer la sympathie.
Dotée d’un talent d’écrivain, elle laisse divers romans, elle consacra à la dévotion les dernières années de sa vie. Elle est inhumée dans la basilique Saint-Denis. En tant que Petite-fille de France, et donc petite-fille de Roi, elle portait néanmoins le titre d’Altesse Royale.