Sus abuelos maternos fueron Francisco IV Gonzaga y Margarita de Saboya.
El 30 de abril de 1651 se casó en Viena con el emperador Fernando III, convirtiéndose así en emperatriz del Sacro Imperio Romano Germánico.
Tuvo con Fernando cuatro hijos, dos de los cuales sobrevivieron hasta la edad adulta: Leonor fue descrita como cultivada y religiosa.
Protegió y desarrolló la creación cultural en Viena: escribió poemas en italiano, fundó una academia literaria y, a pesar de su estricto catolicismo personal, no discriminaba a los escritores protestantes.
Siguió desempeñando un papel muy importante en la corte también como emperatriz viuda después de 1657, siendo una activa patrocinadora de la cultura, organizando ballets y festivales.