Елизавета, племянница российского императора Николая I, родилась 14 (26) мая 1826 года в семье великого князя Михаила Павловича и великой княгини Елены Павловны. Дома её называли Лили, Лили-егоза. В ранние свои годы, как вспоминала позднее её кузина Ольга, Елизавета была «очень прямая, немного вспыльчивая, похожая на мальчика». Среди трёх сестёр её считали самой красивой, она была высока и стройна, с отливающими в красное волосами и длинными светлыми ресницами на очаровательном лице. Елена Павловна, женщина высокого ума и способностей, истинная христианка и благотворительница, уделяла большое внимание образованию дочерей.
В неполные восемнадцать лет Лили стала невестой молодого герцога Адольфа Нассауского, приехавшего из Висбадена. Свадьба, сыгранная в январе 1844 году в Санкт-Петербурге, обошлась хозяевам Михайловского дворца в двести тысяч рублей, огромную по тому времени сумму.
Став герцогиней Нассауской, Елизавета отказалась от выплат из казны герцогства, пожелав, чтобы эти деньги пошли на помощь беднейшим из его жителей. Сама она пользовалась доходами со своего приданного, и на эти средства решила открыть первую в Висбадене больницу для детей. Эту мечту ей не суждено было осуществить. Простуда, полученная великой княжной во время трёхнедельного переезда зимой из России в Нассау, перешла в чахотку. К тому же силы молодой женщины были ослаблены её беременностью. Елизавета скончалась в Висбадене 16 (28) января 1845 года в результате тяжёлых родов вместе с новорождённой дочерью, не дожив и до девятнадцати лет.
Безутешный герцог снова и снова повторял на похоронах: «Год назад я стоял с ней перед алтарём». Вскоре в Висбадене открылась детская больница, названная именем его супруги. В память о своей умершей Лили вдовец повелел возвести на горе Нероберг православный храм во имя святой праведной Елизаветы, её небесной покровительницы; храм был виден из окна его дворца. После освящения церкви в склеп были перенесены останки великой княжны и её дочери.
Открывшаяся в Санкт-Петербурге на набережной реки Фонтанки клиническая больница для малолетних детей, главной попечительницей которой стала великая княгиня Елена Павловна, получила имя Елизаветинской. Устроенный матерью-благотворительницей в Павловске детский приют Елизаветы и Марии был назван ею в память о своих рано ушедших дочерях их именами.