Elisabeth 1559-ben feleségül ment II. Fülöp spanyol királyhoz, V. Károly szent római császár és Izabella portugál király fiához. Eredetileg Franciaország elhagyása előtt a Notre-Dame-ban kötött házasságot meghatalmazott útján (Alba hercege helyettesítette Fülöpöt), a tényleges szertartásra azonban a spanyolországi Guadalajarában került sor, miután megérkezett. A házasság a Cateau Cambrésis-i béke (1559) eredményeként jött létre. Második felesége, I. Mária Angliából nemrég halt meg, így Valois-i Erzsébet Fülöp harmadik felesége lett.
Az esküvőn találkozott Sofonisba Anguissola festővel és Ana de Mendozával, akivel élete végéig együtt élt. II. Fülöp Anguissolát királynője udvarhölgyévé és udvari festőjévé nevezte ki. Anguissola felügyelete alatt Erzsébet továbbfejlesztette amatőr festői képességeit. Anguissola az udvarnál töltött ideje alatt gyermekei, Izabella Clara Eugenia és Caterina Michaela művészi munkásságára is hatással volt.
Filippet teljesen elbűvölte 14 éves menyasszonya, és 1564-re felhagyott hűtlenségeivel. A jelentős korkülönbség ellenére Erzsébet is nagyon elégedett volt férjével. (Anyjának írt leveleiben szerencsésnek vallotta magát, hogy ilyen bájos herceghez ment feleségül.) Fülöp szívesen rendezett lovagi tornákat felesége szórakoztatására. Erzsébet a spanyol udvar három fiatal hercegének hűbéresét játszotta: Carlos, Asztúria hercege, János osztrák herceg (V. Károly törvénytelen fia) és Alexander Farnese, Parma hercege (V. Károly törvénytelen lányának, Margitnak a fia).
Elízabeth eredetileg Fülöp fiának, Carlosnak, Asztúria hercegének volt a jegyese, de politikai bonyodalmak miatt váratlanul szükségessé vált a házasság Fülöppel. Problémákkal küszködő mostohafiával, Carlosszal meleg és baráti volt a kapcsolata. A fokozatosan bizarr viselkedéséről szóló beszámolók ellenére Carlos mindig kedves és gyengéd volt Erzsébettel. Amikor végül szükségessé vált, hogy Fülöp bezárja őt (ami rövidesen a herceg halálához vezetett), Erzsébet napokig sírt.
Filipp nagyon ragaszkodott Erzsébethez, még akkor is közel maradt hozzá, amikor himlőbeteg volt. Erzsébet első terhessége 1560-ban egy halva született fiúval végződött, amit 1564-ben egy ikerlány vetélés követett. Később, 1566. augusztus 12-én életet adott Izabella Clara Eugénia spanyol infánsnőnek, majd 1567. október 10-én Izabella kisebbik húgának, Katalin Michelle spanyol hercegnőnek. Fülöp és Erzsébet nagyon közel állt mindkét lányukhoz, lekvárokat, babákat, játékokat és egyebeket vásároltak nekik. Azt mondják, “mindketten úgy örültek Izabella születésének, mintha fiuk születése lett volna”. Erzsébet 1568. október 3-án ismét elvetélt, és még aznap meghalt újszülött kislányával együtt.
Erzsébet halála után Katalin de’ Medici felajánlotta fiatalabb lányát, Margitot Fülöpnek menyasszonyként. Fülöp visszautasította az ajánlatot.