1612年8月25日，签署了婚约。由于未来配偶的年龄较小，伊丽莎白和费利佩的结合被推迟到1615年。计划中的法国和西班牙联盟给玛丽·德·美第奇带来了一些麻烦：太后遭到了以孔代亲王亨利二世·德·波旁为首的的反对，他们对两个天主教国家的联合感到担忧。经过几次谈判才终于成功了。1615年8月，伊丽莎白和她的家人离开了卢浮宫，到达了西班牙边境，这让年轻的路易十三非常绝望，他无法忍受与他心爱的妹妹分开。然而，这位法国国王的妹妹差点没有成为西班牙王后：当她和她的家人在前往与西班牙会面地点的途中，伊丽莎白染上了天花。玛丽·德·美第奇对长女的健康状况并不担心，如果伊丽莎白死亡或毁容，她会把1606年出生的女儿克里斯蒂娜·玛丽嫁给西班牙。太后的反应表明她对她的孩子们的温柔是多么的少，认为他们是可以互换的。幸运的是，伊丽莎白康复了，并且没有保留任何疾病的痕迹。

宫廷抵达波尔多，1615年10月18日，伊丽莎白与的阿斯图里亚斯亲王费利佩代理结婚，由亨利·德·吉斯代理。法国公主不得不带着她的随行人员独自上路，与她的家人分开。路易十三和伊丽莎白之间的告别令人心碎，这是路易最后一次见到他的妹妹，这对兄妹将永远不会再相见。年轻的国王无法控制自己的悲痛：“我必须为这样一个好妹妹哀悼”。

两位公主的交换是在法国和西班牙之间的比达索亚河进行的。在伊丽莎白与阿斯图里亚斯亲王的代理婚姻，以及路易与安妮的代理婚姻之后，伊丽莎白和她的兄弟于1615年11月25日在比达索亚河的费伦特岛上第一次遇见了他们各自的配偶。

伊丽莎白与即将离开祖国嫁给路易十三的安妮短暂会面：两位未来的王后各自上了一艘船，穿过河岸，前往她们即将生活的地方。在与西班牙公主说了几句话之后，法国公主受到了她夫家的欢迎。画家彼得·保罗·鲁本斯在1622年描绘了这个场景。

伊丽莎白在布尔戈斯见到了国王费利佩三世和阿斯图里亚斯亲王费利佩，1615年11月25日在圣玛丽亚大教堂举行了宗教仪式婚礼。这场婚姻延续了一个传统，即用皇室婚姻巩固法国和西班牙天主教力量之间的军事和政治联盟。这一传统可以追溯到1559年，当时西班牙国王费利佩二世与法兰西国王亨利二世的女儿伊丽莎白·德·瓦卢瓦结婚，作为卡托-康布雷齐和约的一部分。

费利佩立即被他妻子的美貌迷住了。伊丽莎白现在是阿斯图里亚斯亲王妃，被西班牙人民称为“伊莎贝尔”（法语形式伊丽莎白的西班牙语形式）。伊丽莎白知道，她的角色是维持与法国的和平。由于这对新婚夫妇的年龄还小，费利佩10岁，而伊丽莎白也只有13岁，没人会期待她能马上生孩子，费利佩三世推迟了结合的时间：王储夫妇将只在官方仪式上见面，并将分开居住。

在马德里，伊丽莎白加入了一个法国人不喜欢的宫廷：费利佩三世禁止她说自己的母语，公主必须遵守西班牙宫廷的严格礼节。她怀念自己的祖国，因远离家人而感到压抑，感觉自己是个局外人，并不断受到监视。由于费利佩三世的妻子哈布斯堡的玛格丽特已于1611年去世，伊丽莎白在庆典活动中占据了国王身边重要的位置。

1616年至1621年间，伊丽莎白的法国随从逐渐被送离马德里，从而失去了她与祖国的最后联系。虽然按照惯例，陪伴王后的人不会和她呆在一起，但法国随从的离开是费利佩三世对法国越来越不信任的结果。事实上，这场双重婚礼并没有结束两国之间的紧张关系，尤其是当西班牙国王得知他的女儿安妮并没有受到丈夫的善待时，更是如此。与费利佩三世不同，玛丽·德·美第奇要求路易十三和奥地利的安妮立即完成结合，尽管这对夫妇的年龄也不是很大。从那时起，法国国王对他的妻子产生了厌恶，他忽视了她，还解雇了她的西班牙随从，因为他担心间谍藏在其中。这种情况并不妨碍伊丽莎白与她的哥哥保持通信联系，她对他完全信任。

伊丽莎白和阿斯图里亚斯亲王的结合于1619年11月完成。从那时起，她被期望生下一个继承人。费利佩三世于1621年3月去世，当时伊丽莎白正怀着她的第一个孩子。阿斯图里亚斯亲王成为西班牙国王费利佩四世，并强行要求奥利瓦雷斯伯爵加斯帕尔·德·古斯曼作为他的主要大臣。奥利瓦雷斯伯爵比国王年长，1615年被费利佩三世的宠臣莱尔马公爵弗朗西斯科·德·桑多瓦尔-罗哈斯任命为费利佩四世的侍从官。

但与欢迎伊丽莎白的前任不同，奥利瓦雷斯伯爵对法国持敌对态度，更倾向于奥地利的哈布斯堡家族。随着新宠对年轻国王的影响越来越大，费利佩四世的其他顾问希望国王能从奥利瓦雷斯伯爵那里脱离出来，独立统治。然而，国王为了表示对他的宠儿的信任，封他为圣卢卡公爵。从那时起，奥利瓦雷斯被称为“伯公爵”，他的野心让议会的其他成员以及王后都感到害怕。

伊丽莎白成为西班牙王后之后，礼节并没有得到缓解。作为一个神圣的人物，君主几乎是不可接近的，并被归入她的公寓。伊丽莎白是个狂热的猎手，她曾经和她的哥哥路易十三分享过这一爱好，但却不被允许跟随她丈夫。在西班牙，这项活动更多是为男性保留的。因此，当费利佩四世离开马德里的宫廷去埃尔埃斯科里亚尔打猎时，王后仍留在阿尔卡萨尔宫。伊丽莎白组织了娱乐活动、戏剧表演以及与音乐家和诗人的会面。

伊丽莎白以其美丽、聪明才智和高尚人格而著称，这使她在西班牙很受欢迎。她酷爱戏剧，甚至亲自参与宫廷戏剧的演出。成为王后初期，伊丽莎白很少在政治上露面，而是沉浸在她对诗歌、艺术，尤其是戏剧的兴趣中。她被认为是西班牙文学黄金时代的伟大女赞助人。然而，年轻的王后将通过定期给费利佩四世生孩子来加强她的地位。

她的怀孕和分娩让人筋疲力尽，但让王后伤心的是，她给费利佩四世生的九个孩子中，只有两个在婴儿期活了下来。但是，伊丽莎白也为西班牙王室带来了新的血液，哈布斯堡家族之间的近亲婚姻很常见。如果她的大多数孩子没有活下来，那可能是因为婴儿死亡率高和医生的无能。在西班牙，如果没有儿子，女儿也可以继位。因此伊丽莎白的第一个孩子是女孩这一事实并没有危害到王朝的发展。然而，每个国王都希望有一个男性继承人，因为人们担心一个外国王子会登上西班牙的王位。一些敌视奥利瓦雷斯伯爵的神职人员试图、徒劳地说服费利佩四世，他的孩子们的死亡（以及几年来没有儿子）是一种神圣的惩罚，以谴责他的宠儿伯公爵的存在和有害影响。

尽管如此，她的丈夫费利佩四世仍多次对她不忠，有许多非婚生子女就证明了这一点。伊丽莎白知道她的丈夫有情人，她不得不忍受丈夫的不忠，看着非婚生子女的出生，而她却不断地流产或孩子夭折。费利佩四世与隶属于王后的少女们偷情，但也与从未被介绍给宫廷的地位低下的女人偷情，如女演员玛丽亚·卡德龙。费利佩四世与他的情妇们有几个亲生孩子，但只有1629年与玛丽亚·卡德龙所生的儿子唐·胡安·何塞得到了西班牙国王的合法认可。面对丈夫的不忠，伊丽莎白只能顺从，为费利佩四世没有给她强加一个王室情妇而高兴。国王继续向她示好，定期造访她的卧室，并在公共场合对她表示尊重。

伊丽莎白本人是有关她与著名诗人比利亚梅迪亚纳关系的谣言的话题。1622年5月14日，在表演戏剧时发生火灾，比利亚梅迪亚纳把王后带到了一个安全的地方（抱在怀里），这引起了人们对他们关系的怀疑。比利亚梅迪亚纳忽视了一个重要的警告，那就是他的生命处于危险之中，“当他走出的时候，他被谋杀了。费利佩四世和奥利瓦雷斯伯爵加斯帕尔·德·古斯曼对他的死负有责任。”

伊丽莎白在1629年为费利佩四世生了一个儿子巴尔塔萨·卡洛斯，她就吸引了西班牙人民的同情，他们纷纷找她。王后接见并赢得了臣民的尊敬。在西班牙和法国之间关系日益紧张的时候，伊丽莎白还打算参与政治。

在1640年以前，王后似乎对国家事务没有太大的影响，国家事务主要委托给了奥利瓦雷斯。伊丽莎白和奥利瓦雷斯相处得不好，据说奥利瓦雷斯帮助她的配偶通奸，阻止她达到任何政治影响力。有一次，当她向国王提出政治观点时，他有一句著名的话：牧师的存在是为了祈祷，王后的存在是为了生孩子。

费利佩四世必须镇压加泰罗尼亚的叛乱，对其征收新的税款。当费利佩四世决定在奥利瓦雷斯的陪同下前往那里时，他把摄政权留给了王后，这证明了他现在对王后的信任。伊丽莎白认真对待自己的角色，她的努力受到良好的评价。她听取大臣们的建议，他们毫不掩饰对伯公爵的敌意。在他们的支持下，主政者公开反对奥利瓦雷斯。支持诺切拉公爵反对奥利瓦雷斯伯爵，赞成光荣地退出加泰罗尼亚起义。

费利佩四世的宠臣难以预料、变化多端，很快就把西班牙带入了与法国的冲突之中：1635年5月，路易十三向费利佩四世宣战。国王再次听取了奥利瓦雷斯的意见，而不是他妻子或其他大臣的意见。其后果是灾难性的，奥利瓦雷斯鼓励国王在多个战线上发动战争。伊丽莎白试图让国王明白道理：与其分散开来，还不如开始谈判。费利佩四世根据奥利瓦雷斯的建议做出的决定给王国带来了严重的后果：经济崩溃，甚至在下层贵族中也出现了内部动荡。在加泰罗尼亚，当涉及到税收和战争问题时，人民仍然奋起反抗。王后提供她的珠宝来资助军队的武装，这使她赢得了臣民的崇拜。1639年10月，西班牙舰队在沙丘之战中被荷兰敌人摧毁。布拉干萨公爵利用西班牙的混乱局面，于1640年12月发动葡萄牙的政变，以若昂四世的名义被宣布为国王。

西班牙正处于危机之中，伊丽莎白坚持要求国王去加泰罗尼亚平息局势并平息叛乱。1642年4月，王后再次被委以王国摄政的重任。费利佩四世离开时没有带上奥利瓦雷斯，在他12月返回时，似乎他现在把他的信任放在了他的妻子身上，而不是他的宠臣身上。奥利瓦雷斯不再被邀请参加国王的会议，并在1643年1月陷入耻辱。据说费利佩四世当时曾说：“我现在最喜欢的是我的妻子”。

似乎奥利瓦雷斯的倒台是由王后策划的，并得到了萨伏依的玛格丽塔（前葡萄牙总督和国王的表亲）和费利佩四世的侍女安娜·德·格瓦拉的支持（所谓的“女人的阴谋”）。和玛丽亚·德·阿格雷达和他的主要女官路易莎·曼里克·德·拉腊、帕雷德斯·德·纳瓦伯爵夫人一起影响了奥利瓦雷斯的垮台。事实上，在解雇了他最喜欢的大臣之后，国王更多的是听取他妻子的意见，他现在把她看作是一个顾问，一个对他来说不可或缺的支持。伊丽莎白现在的影响力不亚于费利佩四世的大臣们，并与他分享权力。虽然伊丽莎白从未欣赏过奥利瓦雷斯，但与他的妻子伊内斯·德·苏尼加-贝拉斯科关系密切。她是王后的侍女之一，也是阿斯图里亚斯亲王巴尔塔萨·卡洛斯的家庭教师。因此，伊内斯·德·苏尼加-贝拉斯科在她丈夫被解雇后，仍被允许留在马德里的宫廷。

奥利瓦雷斯的倒台使国王认为她是政治伙伴，当国王在1643年再次离开时，伊丽莎白再次被任命为摄政，由丘马塞罗协助。她的第二次摄政也受到了好评，因为她努力为军队提供重要物资，并与银行谈判为军队提供资金，并提供自己的珠宝作为安全保障，国王也赞扬了她。有传言说，她打算效仿天主教徒伊莎贝尔一世的榜样，在葡萄牙王政复古战争期间带领自己的军队守住巴达霍斯。

与她冷酷的母亲玛丽·德·美第奇不同，伊丽莎白与她的孩子们非常亲近，并密切监督她的儿子巴尔塔萨·卡洛斯的教育。14岁时，阿斯图里亚斯亲王开始被他的父亲带入王国的事务中。伊丽莎白抚养女儿玛丽亚·特蕾莎，希望有一天能让她成为自己祖国的君主，并教导她“要想获得幸福，就必须成为法国的王后”。考虑到这一点，伊丽莎白一直与她的嫂子奥地利的安妮通信，安妮在1638年生下了法国王太子路易·迪厄多内（未来的路易十四）。1639年、1640年和1642年，伊丽莎白相继怀孕，但每次都流产了。似乎之前的怀孕让西班牙王后疲于奔命，她的年龄在不断增长。费利佩四世似乎并不十分在意，因为他继续造访妻子的卧室，希望能有更多的王子继承王位。

1643年5月14日，路易十三去世。哥哥的死亡对伊丽莎白来说是一个打击。此后，西班牙于1643年5月19日在罗克罗伊大败，由孔代亲王路易二世·德·波旁率领的法国军队在那里取得了胜利。伊丽莎白陷入了深深的忧郁之中。她再次怀孕，但在1644年春天又失去了孩子。费利佩四世回到了前线，尽管她的健康有问题，王后不得不再次接管王国的摄政。她的病情在9月份突然恶化，当时她的丈夫不在身边。伊丽莎白可能患了白喉。费利佩四世被警告说王后生病了，但他却被阿拉贡的战争拖住了。伊丽莎白于1644年10月6日去世。在给国王的最后一封信中，她请求他与法国媾和，并祈祷他们的女儿玛丽亚·特蕾莎与她的表兄、年轻的法国国王路易十四结合。

伊丽莎白留下了两个孩子，他们将因母亲的去世而受到影响：小巴尔塔萨·卡洛斯和小玛丽亚·特蕾莎。费利佩四世在回来的路上得知他妻子的死讯，这让他非常悲痛。西班牙人民也很怀念伊丽莎白，在多年被当作外国人对待之后，她成功地征服了他们。在人们的记忆中，她是一位受人尊敬的妻子，一位慈爱的母亲，一位善待臣民的王后。

费利佩四世很可能把一种性病传染给他的妻子，据称他和他的一个情妇感染了这一疾病。这种疾病可以解释某些流产，但西班牙王室的近亲婚姻也可能是造成这种情况的原因。伊丽莎白因多次怀孕和流产而虚弱，因孩子的夭折和流产而沉默地受苦，尤其是因为她丈夫的一些情妇生了孩子。她向她的哥哥路易十三和他的妻子奥地利的安妮寄发的信件表明了她的罪恶感。她一直希望她的最后一个女儿、在母亲去世时只有5岁的玛丽亚·特蕾莎嫁给未来的法国国王路易十四。尽管两人是双重表亲，但联姻还是进行了。伊丽莎白的曾孙之一安茹公爵菲利普成为西班牙国王费利佩五世，通过他，伊丽莎白是后来西班牙王室的祖先。

在奥利瓦雷斯被迫离开之后，伊丽莎白的生活开始了一段短暂的幸福时期，她终于得到了丈夫的认可，不仅认可了她的统治能力（他还说，“我的私人就是王后”），而且在亲密关系方面。不幸的是，她并没有长久的幸福，1644年10月6日，伊丽莎白在再次流产后去世。费利佩四世直到生命结束时才认识到，他身边有一位聪明、受过教育的女性，能够在他不在的时候为他统治国家，并给予他他所寻求的其他女人的关爱。但为时已晚，费利佩四世只能哀悼一个他没有对其做出应有回报的妻子。毫无疑问，如果说在婚姻的前半段，与伊丽莎白的关系保持谨慎，那么在最后几年，尊重、爱戴和信任的纽带越来越紧密，直到她成为“法国最好的百合花”——正如她墓冢上的昵称一样——“费利佩四世最大的财富”，她的记忆在她死后的几年里被放大，与好执政者的形象联系起来。

在伊丽莎白去世两年后，阿斯图里亚斯亲王巴尔塔萨·卡洛斯也去世了，使王室再次陷入困境。因此，费利佩四世于1647年与外甥女奥地利的玛丽亚·安娜结婚。

虽然伊丽莎白不是国王的母亲，但她的遗体安放在埃斯科里亚尔修道院的万神殿中，因为正是通过她的女儿法国王后玛丽亚·特蕾莎，西班牙王室才得以延续。