Về vấn đề hôn nhân, ngay trước khi Henrietta được quyết định dành cho Philippe, có tin đồn rằng Henrietta và Vua Louis XIV đã yêu nhau, thông qua sự yêu thích và đánh giá cao nhan sắc, học vấn và trí tuệ của Henrietta từ Vua Louis XIV cũng có thể chứng minh điểm này. Và dù cho đến nay không có tài liệu xác thực chứng minh, song việc Henrietta từng là một "mục tiêu hôn nhân" của nhà Vua là rất hiển nhiên. Cuối cùng, nước Pháp cần liên minh với Tây Ban Nha hùng mạnh, hơn là một nước Anh không ổn định, song việc liên kết với Anh cũng rất cần thiết, và đó là lý do mà nhà Vua cùng Thái hậu vẫn chọn Henrietta gia nhập vương triều Pháp, với tư cách là em dâu của nhà Vua. Về phía Philippe, cuộc hôn nhân này cũng rất quan trọng vì để làm dịu lại tình trạng dè bỉu do quan hệ đồng giới hỗn loạn của ông, bên cạnh đó vợ ông phải là người của một vương thất cao quý để nâng cao địa vị. Có thể nói rằng tính từ thời điểm Hồng y Mazarin qua đời và chính thức có được quyền lực tối cao, cuộc hôn nhân của Henrietta là quyết định lớn ảnh hưởng đến toàn bộ lịch sử đầu tiên mà Vua Louis XIV từng tự chủ.

Trong khi bên phía Pháp thiếu kiên nhẫn và thúc giục hôn nhân với Henrietta, thì Thái hậu Henrietta Maria trở về Anh để giải quyết vấn đề tài chính, cũng như ngăn cản cuộc hôn nhân giữa con trai thứ của mình, James, Công tước xứ York với Anne Hyde - Thị tùng cũ của Công chúa Hoàng gia[10]. Ngay lúc ấy, anh trai của Henrietta là Công tước xứ Gloucester qua đời vì đậu mùa, và điều này khiến bà gần như phát điên vì đau buồn[11]. Tháng 10 năm 1660, Henrietta đi cùng mẹ mình đến Calais, và từ Calais lại giong buồm đến Dover và trú tại Lâu đài Dover. Sau đó, vào ngày 22 tháng 11, triều đình Pháp chính thức ngỏ lời cầu hôn Henrietta cho Philippe, song song với thỏa thuận về của hồi môn, với 840,000 livre từ Vua Charles II, kèm thêm 20,000 livre để dự trù phí tổn hôn lễ[12]. Cũng theo thỏa thuận, Henrietta nhận một mức trợ cấp 40,000 livre hằng năm và Château de Montargis làm tư dinh riêng[13].

Khi chuẩn bị rời khỏi Anh về Pháp, Henrietta lại nghe tin người chị cả là Mary qua đời vì đậu mùa. Sang tháng 1 năm 1661, Henrietta mới chính thức trở về Pháp và ký kết điều ước hôn nhân với Philippe tại Palais Royal vào ngày 30 tháng 3 cùng năm, và hôn lễ diễn ra ngay ngày hôm sau[14]. Buổi lễ đã rất hoành tráng và tỉ mỉ, hai vợ chồng sau đến dời đến Palais des Tuileries sinh sống. Vì bà đã cưới một [Monsieur] đồng thời là Công tước Orléans (Philippe được thụ phong ngay sau khi cưới bà), Henrietta được biết đến ở Pháp với danh xưng [Madame, la Duchesse d'Orléans][15]. Cuộc hôn nhân được nhìn nhận bề ngoài là mĩ mãn, khi Henrietta hạ sinh con gái đầu lòng Marie Louise vào 1 năm sau khi cưới Philippe, bản thân Philippe được ghi nhận là rất yêu thích đứa con gái này[16]. Tuy nhiên, người cha thật sự của Marie Louise lại được đồn là chính Vua Louis XIV hoặc Armand de Gramont, Comte de Guiche - một người tình đồng giới của Philippe. Chính điều này khiến Philippe đã tỏ ra "cay nghiệt" với vợ mình, và tin đồn Henrietta và Vua Louis XIV càng phát triển hơn bao giờ hết, vì thời điểm ấy cả hai tỏ ra thân mật và nhà Vua cũng có biểu hiện say đắm nhan sắc của bà. Sau cùng, Vua Louis XIV quyết định tìm một tấm "bình phong", và tấm bình phong ấy chính là Louise-Françoise de La Baume Le Blanc - một Thị tùng của Henrietta, và kéo sự chú ý của triều đình Pháp khỏi câu chuyện của Henrietta cùng đứa bé gái. Bản thân Louise-Françoise đã đạt được sự yêu thích của nhà Vua và được ban tước hiệu Duchesse de La Vallière như một phần thưởng.

Không lâu sau, Henrietta lại sinh một bé trai vào năm 1664, được ban tước hiệu [Công tước Valois] và tên Thánh là Philippe Charles, vinh danh người cha (Philippe) cùng ông ngoại (Charles), nhưng đứa trẻ qua đời vào năm 1666, khi chỉ mới 2 tuổi. Cái chết của đứa bé tác động sâu sắc đến Henrietta[17], và phải mất mấy năm thì bà mới có thể hồi phục, hoài thai và sinh hạ người con gái cuối cùng, Anne Marie. Trong thời gian bà mất đi con trai, Philippe lại quan hệ với một tình nhân đồng giới, Chevalier de Lorraine. Có vấn đề với chồng, Henrietta trong thời gian này được ghi nhận rất yêu thích nghệ thuật làm vườn để giải khuây, hoặc là viết thư với các nhà văn hóa trứ danh, trong đó có Moliere, Jean Racine và Jean de La Fontaine[18]. Những hoạt động văn hóa tích cực này của Henrietta được các sử gia đánh giá là hội chứng chán ăn tâm thần[19].