Fille de Philippe 1er duc d’Orléans et de sa cousine et première épouse Henriette d’Angleterre , elle descend à la fois des familles royales française et anglaise. Elle a pour grands-parents paternels Louis XIII et Anne d’Autriche. Ses grands-parents maternels sont Charles 1er d’Angleterre et Henriette de France.
Louis XIV est son oncle paternel et parmi ses oncles maternels figurent les rois Charles II et Jacques II d’Angleterre. En 1679, elle devient la première épouse de Charles II d’Espagne.
Effrayée à l’idée d’être unie avec un homme victime d’une lourde hérédité et vivant dans une cour sinistre, l’adolescente se jette en public aux pieds de son oncle pour qu’il renonce à ce projet. Le Roi feint de croire à une farce et réplique non sans ironie qu’il n’était pas digne que la reine Catholique se jette aux pieds du roi Très Chrétien. Marie-louise a de quoi être effrayée, l’étiquette espagnole étant encore plus codifiée et restrictive qu’en France, les reines espagnoles étant notamment servies à genoux.
Bien qu’elle soit réputée pour sa beauté lors de son mariage, son union sans amour avec le roi d’Espagne imbécile est pour elle cause de dépression et d’une obésité morbide. En butte à l’hostilité de la Cour qui manipule le faible souverain et le monte contre son épouse, elle tombe quand même enceinte mais ne mène pas sa grossesse à terme. Le couple demeure donc sans enfants, et le roi n’en aura pas davantage avec sa seconde épouse, Marie-Anne de Neubourg .
Comme sa mère, elle meurt à l’âge de 27 ans. Des rumeurs non confirmées dirent qu’elle avait été empoisonnée à l’instigation de sa belle-mère, la reine douairière Marie-Anne d’Autriche, parce qu’elle n’avait pas eu d’enfant, mais aussi que l’amour que lui portait le roi risquait de détacher celui-ci de l’alliance autrichienne alors que débutait la guerre de la Ligue d’Augsbourg [1].