C временем Анна все больше вживалась в местный быт и нравы. Но в чем-то она по-прежнему оставалась русской: стол принцессы был отделан уральским малахитом, за обедом она использовала только русский фарфор с видами Петергофа, а свое загородное имение Сустдейк сделала точной копией Павловска. Постоянными корреспондентами принцессы были ее младший брат — император России Николай I и русский поэт В. А. Жуковский, а любимым собеседником — русский духовник, священник Александровский.
8 октября 1840 г. после отречения отца муж Анны Павловны принц Виллем стал королем Нидерландов и Великим герцогом Люксембургским под именем Виллем II, а сама Анна — королевой и великой герцогиней. Она с трудом уговорила мужа сделать себе «достойную» коронационную корону и продала для этой цели свои драгоценности. Будучи правящей королевой, Анна пыталась оказывать влияние на политику страны. В частности, именно благодаря ей в 1847 г. было усовершенствовано налоговое законодательство Нидерландов и внесены изменения в конституцию 1814 г. Королева также много занималась благотворительностью: основала на свои деньги госпиталь, инвалидный дом, свыше пятидесяти приютов.
Правящей королевой Анне было суждено оставаться недолго. 5 марта 1849 г. Виллем II скончался в результате несчастного случая в возрасте 57 лет. На трон взошел сын Анны, 32-летний Виллем III, с которым у нее были прохладные отношения.
Финансовые дела королевской семьи к этому времени были почти полностью расстроены «благодаря» привычке Виллема II жить на широкую ногу. Чтобы спасти репутацию фамилии, Анна решила обратиться с письмом к брату — Николаю I. «Тебе известно о наследстве Виллема, — писала ему Анна 1 октября 1849 г. из Гааги. — В задачу комиссии, созданной для изучения и рассмотрения этого вопроса, входило собрать необходимые данные и оценить имущество и наличные активы, равно как и сосчитать долги. Последние, как оказалось, составляют 4,5 миллиона гульденов. Для их уплаты нам нужно будет продать всю свою землю и недвижимость в этой стране. Поэтому я обращаюсь к тебе, любимый брат и друг, с просьбою, чтобы ты в этот роковой час согласился купить собранные Виллемом картины, к которым ты так привязан… Если ты исполнишь эту просьбу, мои дети будут спасены. Ты спасешь также честь семьи!» Николай I ответил на просьбу сестры согласием и приобрел за 137 823 гульдена большую коллекцию голландской живописи, которая и по сей день является гордостью Эрмитажа.
В июле 1853 г. вдовствующая королева Анна впервые после 28-летнего перерыва побывала на Родине. Придворных она поразила своим архаичным и вычурным русским языком, а также чрезмерной приверженностью этикету. «Наши молодые великие князья и княгини покатываются от смеха и гримасничают за спиной у своей тетушки, — отмечала в своем дневнике фрейлина А. Ф. Тютчева. — Они лучше бы сделали, ежели бы последовали ее примеру!» Кроме Петербурга и Москвы, королева 20 июля 1853 г. побывала также в Троице-Сергиевой лавре, где посетила все храмы. Сопровождавший ее архиепископ Ярославский Леонид так вспоминал об этом визите: «Королева была очень любезна, старалась говорить с каждым. Она сказала, что всегда и на чужой стороне помнила и любила Россию; что, если она не приезжала сюда в течение двадцати восьми лет, то виною тому были ее несчастья: „Вы знаете мои обстоятельства: наша страна была разорвана надвое, и я не могла оставить в несчастии тех, с кем жила прежде в счастии; это было бы недостойно русской великой княжны. Потом я лишилась сына, мужа; при новом короле, моем старшем сыне, я и хотела бы уехать в Россию, но надо было руководить детьми, помогать им, долг матери меня удерживал. Когда я женила второго сына, то почувствовала себя как бы развязанной и поспешила в Россию, где мне был оказан братом самый любезный, самый родственный прием. Я познакомилась со всем большим семейством. Если бы не этот случай, я бы осталась незнакомой всему молодому поколению Романовых“». Следующий визит в Россию Анна нанесла уже своему племяннику Александру II, в 1857 г. Ответный визит императора в Нидерланды состоялся в 1864-м.
Через год, 2 марта 1865 г., вдовствующая королева Анна скончалась в Гааге на 71-м году жизни. Она была погребена в Амстердаме в храме Святой Екатерины. Ежегодно 2 марта в Нидерландах проходят мероприятия, посвященные памяти русской королевы, оставившей в истории страны самую добрую память. В них неизменно участвует нынешняя королева Нидерландов Беатрикс — праправнучка Анны Павловны. Во время торжественных выездов королева появляется на улицах Гааги в золоченой карете, которую в 1816 г. Александр I подарил Анне в день ее свадьбы. В честь русской королевы в Нидерландах назван город Анна Павловна.