Elisabeth ble giftet bort til Filip II av Spania, sønn av Karl V av Det tysk-romerske rike og Isabella av Portugal, i 1559. Vielsen skjedde via stedfortreder i Notre-Dame, med hertugen av Alba som stedfortreder for Filip, før hun forlot Frankrike. Den egentlige seremonien fant sted i Guadalajara i Spania ved hennes ankomst der. Bryllupet var et resultat av Freden vid Cateau Cambrésis (1559). Filips andre hustru, Maria I av England, var nylig død, noe som gjorde Elisabeth av Valois til Filips tredje hustru.