Elisabeth se v roce 1559 provdala za Filipa II. španělského, syna Karla V., císaře Svaté říše římské, a Isabely Portugalské. Původně se vdávala v zastoupení v Notre Dame (Filipa zastupoval vévoda z Alby) před odjezdem z Francie, skutečný obřad se konal ve španělské Guadalajaře po jejím příjezdu. Sňatek byl výsledkem míru z Cateau Cambrésis (1559). Jeho druhá manželka, Marie I. Anglická, nedávno zemřela, takže Alžběta z Valois se stala Filipovou třetí manželkou.
Na svatbě se seznámila s malířem Sofonisbou Anguissolou a Anou de Mendoza, která s ní žila do konce života. Filip II. jmenoval Anguissola dvorní dámou a dvorním malířem své královny. Pod Anguissolovým vedením se Alžběta zdokonalovala v amatérském malířství. Anguissola během svého působení u dvora ovlivnila také uměleckou tvorbu jejích dětí, Isabelly Clary Eugenie a Cateriny Michaely.
Filip byl svou čtrnáctiletou nevěstou zcela okouzlen a v roce 1564 se vzdal svých nevěr. Navzdory značnému věkovému rozdílu byla Alžběta se svým manželem také docela spokojená. (V dopisech své matce prohlašovala, že má štěstí, že si vzala tak okouzlujícího prince). Filip rád pořádal rytířské turnaje, aby svou ženu pobavil. Alžběta si hrála na dvorní dámu tří mladých princů španělského dvora:
Alžběta byla původně zasnoubena s Filipovým synem Carlosem, princem asturským, Janem Rakouským (nemanželským synem Karla V.) a Alexandrem Farnese, vévodou parmským (synem nemanželské dcery Karla V. Markéty).
Alžběta byla původně zasnoubena s Filipovým synem Carlosem, princem asturským, ale politické komplikace si nečekaně vyžádaly sňatek s Filipem. Její vztah s problémovým nevlastním synem Carlosem byl vřelý a přátelský. Navzdory zprávám o jeho postupně bizarním chování byl Carlos k Alžbětě vždy laskavý a vlídný. Když bylo nakonec nutné, aby ho Filip zavřel (což zanedlouho vedlo k princově smrti), Alžběta celé dny plakala.
Filip byl na Alžbětě velmi závislý, zůstal jí nablízku, i když onemocněla neštovicemi. Alžbětino první těhotenství v roce 1560 skončilo narozením mrtvého syna, v roce 1564 následoval potrat dvojčat. Později porodila 12. srpna 1566 španělskou infantku Isabelu Kláru Eugenii a poté 10. října 1567 Isabelinu mladší sestru Kateřinu Michelle Španělskou. Filip a Alžběta měli k oběma svým dcerám velmi blízko, kupovali jim džemy, panenky, hračky a další věci. Říká se, že „oba měli z Isabellina narození takovou radost, jako by se jim narodil syn“. Alžběta 3. října 1568 znovu potratila a téhož dne zemřela i se svou novorozenou dcerou.
Po Alžbětině smrti nabídla Kateřina Medicejská svou mladší dceru Markétu jako nevěstu pro Filipa. Filip nabídku odmítl.