Se casó con Pedro de Alcántara de Braganza y Borbón, entonces príncipe de Beira heredero del trono de Reino Unido de Portugal, Brasil y Algarve. La ceremonia de matrimonio fue celebrada por el arzobispo de Viena el 13 de mayo de 1817, por poderes, en la iglesia de San Agustín en Viena. Pedro estuvo representado por el archiduque Carlos Luis, hermano de Francisco I, gran líder militar, héroe de la Batalla de Aspern-Essling. La pareja recibió la bendición nupcial el 6 de noviembre de 1817, en la Capilla Real de Río de Janeiro. A pesar del gran amor que Leopoldina dedicó a su marido, su matrimonio no era feliz. Pedro tuvo hijos ilegítimos con varias de sus amantes, como la señora Domitila de Castro Canto y Melo, marquesa de Santos.