Бракосочетание великого князя Петра Фёдоровича и великой княгини Екатерины Алексеевны
21 августа (1 сентября) 1745 года в шестнадцатилетнем возрасте Екатерина была обвенчана с Петром Фёдоровичем, которому исполнилось 17 лет и который приходился ей троюродным братом. Первые годы совместной жизни Пётр совершенно не интересовался женой, и супружеских отношений между ними не существовало. Об этом Екатерина позже напишет:
Я очень хорошо видела, что великий князь меня совсем не любит; через две недели после свадьбы он мне сказал, что влюблён в девицу Карр, фрейлину императрицы. Он сказал графу Дивьеру, своему камергеру, что не было и сравнения между этой девицей и мною. Дивьер утверждал обратное, и он на него рассердился; эта сцена происходила почти в моём присутствии, и я видела эту ссору. Правду сказать, я говорила самой себе, что с этим человеком я непременно буду очень несчастной, если и поддамся чувству любви к нему, за которое так плохо платили, и что будет с чего умереть от ревности безо всякой для кого бы то ни было пользы.
Итак, я старалась из самолюбия заставить себя не ревновать к человеку, который меня не любит, но, чтобы не ревновать его, не было иного выбора, как не любить его. Если бы он хотел быть любимым, это было бы для меня нетрудно: я от природы была склонна и привычна исполнять свои обязанности, но для этого мне нужно было бы иметь мужа со здравым смыслом, а у моего этого не было.
Екатерина продолжает заниматься самообразованием. Она читает книги по истории, философии, юриспруденции, сочинения Вольтера, Монтескье, Тацита, Бейля, большое количество другой литературы. Основными развлечениями для неё стали охота, верховая езда, танцы и маскарады. Отсутствие супружеских отношений с великим князем способствовало появлению у Екатерины любовников. Между тем, императрица Елизавета высказывала недовольство отсутствием детей у супругов.
Наконец, после двух неудачных беременностей, 20 сентября (1 октября) 1754 года Екатерина родила сына Павла. Роды были тяжёлыми, младенца сразу же отобрали у матери по воле царствовавшей императрицы Елизаветы Петровны, и лишили Екатерину возможности воспитывать, позволяя только изредка видеть Павла. Так великая княгиня впервые увидела своего сына лишь через 40 дней после родов. Ряд источников утверждает, что истинным отцом Павла был любовник Екатерины С.В. Салтыков. Другие — что такие слухи лишены оснований, и что Петру была сделана операция, устранившая дефект, делавший невозможным зачатие. Вопрос об отцовстве вызывал интерес и у общества.
После рождения Павла отношения с Петром и Елизаветой Петровной окончательно испортились. Пётр звал свою супругу «запасной мадам» и открыто заводил любовниц, впрочем, не препятствуя делать это и Екатерине, у которой в этот период, благодаря стараниям английского посла сэра Чарлза Хенбюри Уильямса, возникла связь с Станиславом Понятовским — будущим королём Польши. 9 (20) декабря 1757 года Екатерина родила дочь Анну, что вызвало сильное недовольство Петра, произнёсшего при известии о новой беременности: «Бог знает, почему моя жена опять забеременела! Я совсем не уверен, от меня ли этот ребёнок и должен ли я его принимать на свой счёт».
Английский посол Уильямс в этот период являлся близким другом и доверенным лицом Екатерины. Он неоднократно предоставлял ей значительные суммы в виде займов или субсидий: только в 1750 г. ей было передано 50 000 рублей, о чём имеются две её расписки; а в ноябре 1756 г. ей было передано 44 000 руб. Взамен он получал от неё различную конфиденциальную информацию — в устной форме и посредством писем, которые она довольно регулярно писала ему как бы от имени мужчины. В частности, в конце 1756 г., после начала Семилетней войны с Пруссией, Уильямс, как следует из его собственных депеш, получил от Екатерины важную информацию о состоянии воюющей русской армии и о плане русского наступления, которая была им передана в Лондон, а также в Берлин прусскому королю Фридриху II.
После отъезда Уильямса она получала деньги и от его преемника Кейта. Частое обращение Екатерины за деньгами к англичанам историки объясняют её расточительностью, из-за которой её расходы намного превышали те суммы, которые были отпущены на её содержание из казны. В одном из своих писем Уильямсу она обещала, в знак благодарности, «привести Россию к дружественному союзу с Англией, оказывать ей всюду содействие и предпочтение, необходимое для блага всей Европы и особенно России, перед их общим врагом, Францией, величие которой составляет позор для России. Я научусь практиковать эти чувства, на них обосную свою славу и докажу королю, вашему государю, прочность этих моих чувств».