María Leonor fue pretendida desde su adolescencia por el joven rey Gustavo II Adolfo de Suecia.

Gustavo Adolfo viajó a Alemania en 1618 y en 1620, fecha esta última en que recibió el consentimiento de la princesa para casarse.

Después de un primer embarazo malogrado, tuvo a su hija, Cristina Augusta, en 1623, que falleció al año siguiente.

En 1631, acompañó a al rey Gustavo II Adolfo en su campaña por Alemania, durante la guerra de los Treinta Años.

María Leonor cayó en una gran depresión, que le llevó a comportarse anormalmente, tal que se negó a separarse de los restos de su marido y retrasó varios meses el entierro.

Cuando por fin se pudo sepultar al rey, la viuda permaneció mucho tiempo junto a la tumba.

En 1643, María Leonor abandonó Dinamarca rumbo a Prusia, país en el que permanecería cinco años.

En Nyköping, recibió en 1654 la inesperada visita de su hija cuando ésta abandonó el país renunciando al trono.