Летом 1661 года Маргарита Луиза отправилась в Тоскану. Её путешествие превратилось в триумфальное шествие: для переезда принцессы в Италию выделили флотилию из девяти кораблей, а по прибытии невесты во Флоренцию 20 июня город устроил самые пышные празднества.
В свадебном кортеже насчитывалось свыше 300 карет, а великий герцог Фердинандо II, отец жениха, преподнес невестке в дар жемчужину «размером с голубиное яйцо». Казалось, ничто не омрачает начало союза между двумя знатными домами.
Однако за блеском церемоний скрывалось отсутствие всяких чувств между супругами. Современники отмечали полное равнодушие, с которым 16-летняя принцесса и 19-летний принц встретили друг друга при первой встрече. Курфюрстина София Ганноверская в своих мемуарах язвительно замечала, что молодожены делили супружеское ложе лишь раз в неделю.
Маргарита Луиза не скрывала, что находит мужа некрасивым, скучным и несхожим с собой по характеру. Уже через два дня после венчания она потребовала от Козимо передать ей все коронные драгоценности великого герцогства, на что получила отказ – формально супруг не имел права распоряжаться фамильными ценностями. Добившись доступа к части украшений, своевольная герцогиня попыталась тайно вывезти их из Тосканы, но была разоблачена и остановлена свёкром, великим герцогом Фердинандо.
Потрясенный Козимо счёл поступок жены воровством, а Маргарита озлобилась на мужа, который не оправдал её ожиданий. Разлука с родиной и вынужденное расставание с возлюбленным кузеном Лотарингским только усиливали её ненависть. Между супругами сразу начались ссоры и скандалы: однажды в пылу гнева Маргарита Луиза даже пригрозила разбить бутылку об голову Козимо, если он немедленно не покинет её комнату.
Несмотря на неприязнь, долг перед династией Медичи приходилось выполнять. В 1663 году Маргарита родила сына Фердинандо, в 1667 году – дочь Анну Марию Луизу, а в 1671 году ещё одного сына, Джан Гастоне. Таким образом, она подарила мужу наследников. Тем не менее появление детей не сделало брак крепче. Маргарита была холодна с мужем и все заботы сосредоточила на старшем сыне, к которому привязалась больше всего.
В семье Медичи она чувствовала себя чужой. Принцесса откровенно тяготилась жизнью во Флоренции: местный двор после утонченного и блестящего Версаля казался ей провинциально скучным и чрезмерно набожным. Маргарита демонстративно отказывалась следовать местным обычаям, не спешила изучать итальянский язык и держалась обособленно со своей небольшой французской свитой.