В 1724 году Петр все-таки решился и выдал Анну за голштинского герцога. К этому шагу царя вынудили чрезвычайные обстоятельства. Осенью этого года ему стало известно, что супруга, наследница русского престола императрица Екатерина Алексеевна ему не верна — изменяет с обер-камергером Виллимом Монсом. Петр был вне себя от гнева, кроме того, он был обеспокоен не только этой изменой, обидной для него, любящего мужа, но и будущим династии, судьбой своего огромного наследства. Он порвал составленное за несколько месяцев до этого завещание в пользу Екатерины, позвал к себе вице-канцлера Андрея Остермана, ведшего российско-голштинские переговоры, и приказал ему быстро их закончить к взаимному удовлетворению сторон. Дальше события стали разворачиваться стремительно: тянувшиеся несколько лет брачные переговоры закончились буквально в два дня, и 24 октября 1724 года Анну и герцога обручили. Так судьба дочери Петра была почти мгновенно решена. Если мы развернем подписанный тогда русско-голштинский брачный контракт, то найдем в нем секретный пункт, который в момент подписания документа был скрыт от публики. Он гласил, что при рождении у супругов младенца мужского пола они обязаны отправить его в Россию, отдать деду для назначения мальчика наследником русского престола. Так Петр, после отказа в наследстве Екатерине, хотел решить судьбу трона. И во имя спокойного будущего России не пожалел любимой дочери, как никогда во имя этой цели не жалел ни себя, ни окружающих.
Наверное, этот замысел удался бы, если бы царь дожил до февраля 1728 года, когда Анна Петровна родила мальчика, получившего имя Карл Петер Ульрих (это был будущий император Петр III). Но в том и состоит драма, что событиями правят в ней не люди, а рок, судьба. Она не дала Петру дожить до этого светлого династического дня. Умирая в страшных физических муках в ночь на 28 января 1725 года (то есть в день рождения Анны), он все еще надеялся выкарабкаться, страстно, со слезами молился и отмахивался от подходивших к нему людей: «После! После! Я все решу после!»
Довольно распространенная — благодаря Вольтеру — легенда гласит, что умирающий Петр захотел написать завещание, но его рука выводила лишь неразборчивые буквы, из которых удалось понять только следующие слова по-русски: «Отдайте все...» «Он велел позвать принцессу Анну Петровну, которой хотел диктовать, но как только она показалась у его ложа, он лишился дара речи и впал в агонию». Весь этот эпизод был взят Вольтером из рукописи 1740-х годов голштинского придворного Г. Ф. Бассевича, который как раз и вел переговоры с Остерманом о браке Анны и герцога. Рассмотрение относящихся к этому эпизоду документов не подтверждает и не опровергает суждения Бассевича, хотя то, что Петр приказал позвать к его ложу Анну, чтобы надиктовать ей завещание, еще не означает, что он хотел передать престол именно ей.
Смерть отца потрясла Анну так, что во время панихиды она чуть не сгорела: девушка так низко склонилась в молитве, что от стоявшей перед ней свечи загорелся ее траурный головной убор, который окружающим удалось тотчас сорвать с ее головы. После вступления на престол матери Анны, императрицы Екатерины I, брачное дело завертелось. Екатерина 21 мая 1725 года устроила дочери пышную свадьбу в специально построенном в Летнем саду свадебном зале. Молодожены еще два года прожили при дворе Екатерины I, но как только она умерла весной 1727 года, жадный до власти Меншиков, ставший первым человеком при новом императоре Петре II, буквально «вытолкал» дочь Петра и ее мужа в Голштинию, в Киль, — нечего, мол, тянуть; подданные, верно, вашу светлость заждались, да и супругу желают лицезреть! Перед отъездом от Анны Петровны потребовали расписку в получении денег, положенных ей как приданое, но бумагу долго не принимали, потому что там стоял старый титул дочери Петра — «наследная принцесса Российская». Теперь она не считалась ни российской, ни принцессой, а так — отрезанным ломтем.
Молодые приехали в Киль... Жизнь Анны здесь не заладилась. Муж, такой веселый и галантный в Петербурге, дома стал другим: грубым, никчемным, склонным к гульбе и пьянству субъектом. С какими-то приятелями и девицами он часто отправлялся на пикники. Одиночество стало уделом беременной к тому времени герцогини Анны. Она, всю жизнь окруженная в семье Петра вниманием, любовью и заботой, не привыкла к такому обращению и стала писать жалобные письма домой, сестре Елизавете. Унтер-лейтенант русского флота С. И. Мордвинов вспоминал, что его радушно принимали при дворе Анны, и накануне своего отъезда из Киля он обедал с дочерью Петра в узком кругу, и она была «в печальном виде, а после стола, как я откланивался, с горестными слезами изволила мне вручить письмо к государю (Петру II. — Е А.) и к государыне цесаревне Елизавете Петровне и сестрице государевой Наталье Алексеевне и, пожаловав к руке, в слезах изволила идти в кабинет».