Grootvorstin van Rusland
Voor haar huwelijk in 1884 zou er sprake zijn geweest van een huwelijk met de Pruisische prins Wilhelm, ook een kleinkind van koningin Victoria, maar Elisabeth wees hem af. In haar jeugd had Elisabeth haar hart namelijk al weggegeven grootvorst Sergej Aleksandrovitsj van Rusland (1857-1905), de vijfde zoon van tsaar Alexander II. Ze hadden elkaar een aantal keer ontmoet tijdens de bezoeken die hij aan hen bracht met zijn moeder.
Op 15 juni 1884 trouwde ze met grootvorst Sergej Aleksandrovitsj in de kerk van het winterpaleis te Sint-Petersburg. Na haar huwelijk kreeg Elisabeth de titel "Grootvorstin van Rusland". Iemand die aanwezig was op de bruiloft, zei later dat Elisabeth de mooiste vrouw was die ooit in de kerk trouwde. Elisabeths zus, Alice, ontmoette op deze bruiloft haar toekomstige echtgenoot Nicolaas, de latere tsaar van Rusland. Elisabeth en Sergej gingen op huwelijksreis naar Ilinski, een stad zestig kilometer buiten Moskou. Hier begon Elisabeth de Russische taal te leren.
Uit het huwelijk van Elisabeth en Sergej werden geen kinderen geboren. In plaats daarvan voedden ze hun neef en nicht, Dimitri Paulovitsj en Maria Paulowna, op. Hun moeder, prinses Alexandra van Griekenland, was vlak na Dimitris geboorte overleden en hun vader, grootvorst Paul Aleksandrovitsj, was het land uit gegaan om een morganatisch huwelijk met de niet-adellijke Olga Valerianovna Karnovitsj te sluiten.
Het Martha en Mariaklooster
Sergej was door tsaar Nicolaas II benoemd tot gouverneur-generaal van Moskou, maar in die functie had hij zich niet populair bij het volk gemaakt. Met als gevolg dat op 17 februari 1905 zijn rijtuig werd opgeblazen; Sergej kwam bij de moordaanslag om het leven. Elisabeth, die getuige was geweest van de aanslag, verzamelde Sergejs lichaamsdelen en begroef hem in een klooster.
Elisabeth, die zich tien jaar na haar huwelijk met de hulp van haar vriendin Zinaïda Joesoepova tot de Russisch-orthodoxe Kerk had bekeerd, gaf al haar juwelen aan de stichting van een klooster dat in de zorg voor arme en behoeftige zieken voorzag. Ze verkocht haar meest kostbare bezittingen en kocht een klein stuk grond in het zuiden van Moskou om een klooster te bouwen. Op het stuk grond liet Elisabeth onder andere een ziekenhuis, een meisjesweeshuis en kamers voor de 97 zusters bouwen. Het gebouw was ontworpen door de architect die later het mausoleum van Lenin zou ontwerpen. Het interieur werd geschilderd door de bekende, Russische schilders Pavel Korin en Michail Nesterov, die ook de parelgrijze en witte habijten van het klooster ontwierpen. Om het kloostergebouw lag een tuin met veel gezonnen. In 1910 was de bouw van het Martha en Mariaklooster voltooid.
Elisabeth droeg het klooster, waar ze zelf abdis werd, op aan de armen van Moskou. De zusters kwamen uit alle lagen van de samenleving en deden veel liefdadigheidswerk. Ze gaven bijvoorbeeld les aan de weesmeisjes, die uit de sloppenwijken van Moskou waren gehaald. Veel van deze meisjes gingen later in ziekenhuizen werken of traden zelf toe tot een klooster. Het klooster was in Rusland zeer bekend vanwege al zijn liefdadigheidswerk, wat uniek was voor een Russisch klooster.
Haar dood
Elisabeth en haar zus Alexandra leken van elkaar te vervreemden. Beiden hechtten ze veel waarden aan het geloof, maar wel op zeer verschillende manieren: Elisabeth had een klooster gesticht en tsarina Alexandra had zich ingelaten met de gebedsgenezer Raspoetin, die via de tsarina veel invloed had aan het Russische hof. Het volk was niet te spreken over deze invloed en er ontstond veel chaos in het land. Elisabeth had haar zus ervan proberen te overtuigen de invloed van Raspoetin terug te dringen, maar Alexandra had niet geluisterd. Elisabeth vroeg hierna aan haar vriendin Zinaïda om de invloed van Raspoetin in te perken, maar ook haar was het niet gelukt. Zinaïda's zoon, prins Felix Joesoepov, vermoorde Raspoetin hierop.
De onrusten in Rusland liepen uiteindelijk uit op de Russische Revolutie. Elisabeth woonde in de beschermde omgeving van het klooster en kreeg niet veel mee van wat er gaande was in het land. Het kwam voor haar dan ook als een verrassing, toen ze op 13 maart 1918 (een jaar nadat de tsaar was afgezet) door de bolsjewieken werd gearresteerd. Ze werd door de bolsjewieken als gevaarlijk beschouwd vanwege haar grote invloed in Moskou en haar positie binnen de Russische tsaristische familie. Elisabeth werd naar Siberië verbannen en daar in de nacht van 18 juli met haar medezuster Varvara en enkele familieleden vermoord en in een mijnschacht gegooid. Haar lichaam werd later gevonden en samen met de resten van haar medezuster herbegraven in de Kerk van Maria Magdalena in Jeruzalem.
In de jaren twintig is het Martha en Mariaklooster gesloten, maar de nonnen gingen verder met hun liefdadigheidswerk. Dat moest in het geheim gedaan worden om niet naar Centraal-Azië verbannen te worden. Het kerkgebouw is behouden, omdat het door de sovjets als bijeenkomstplaats werd gebruikt. Op het altaar was toen een beeld van Lenin geplaatst. Het klooster werd aan het eind van de twintigste eeuw gerestaureerd en heropend. In de tuin is een standbeeld van Elisabeth geplaatst. Elisabeth is door de Russisch-orthodoxe Kerk gecanoniseerd in 2002.