В итоге супругой великого князя Павла стала Вильгельмина — дочь великой ландграфини Гессен-Дармштадтской, очень достойной и образованной женщины, в доме которой бывали Гёте, Гердер и другие знаменитости того времени. Вильгельмина была хорошо воспитана, обладала незаурядным умом и широким кругозором. После принятия православия принцесса стала зваться Натальей Алексеевной. Свадьбу не стали откладывать, и девятнадцатилетний правнук Петра Великого сочетался браком с дармштадтской принцессой. Великий князь влюбился в свою нареченную, хотя Вильгельмина и не была яркой красавицей. Она отличалась твёрдостью характера, определённым честолюбием и некоторыми качествами, которые князю самому были несвойственны. Казалось, что Павел был очень доволен выбором матери, но случилось непредвиденное. На четвёртом году супружеской жизни молодая жена великого князя скончалась в Петербурге во время родов. Ребёнок родился мёртвым.
Павел был в отчаянии, но матери удалось убедить сына, что Наталья якобы ему изменяла. А при дворе стали упорно распространяться слухи о любовной интриге скончавшейся супруги великого князя с красавцем Андреем Разумовским. Известие об измене жены ранило Павла так сильно, что он даже не пожелал присутствовать на её похоронах и впал в депрессию от отчаяния и разочарования.
Не прошло и трёх месяцев после смерти Натальи, как императрица предложила сыну вступить в новый брак. На этот раз она порекомендовала ему в жёны свою первую избранницу — вюртембергскую принцессу Софию. К тому времени девушке исполнилось шестнадцать лет, и, несмотря на отсутствие приданого, к ней уже сватался наследный принц Гессен-Дармштадтский Людвиг, родной брат принцессы Вильгельмины, бывшей супруги великого князя Павла, — очень интеллигентный молодой человек, получивший образование в Лейденском университете. После замужества сестры он поступил на службу в русскую армию.
«Принцесса София Доротея, — пишет в своих записках графиня Оберкирх, — в то время была хороша как Божий день: высокого роста, стройная, она соединяла с тонкими, правильными чертами лица благородный и величественный вид... К принцу Дармштадтскому она относилась равнодушно, но была тронута его вниманием и после многих колебаний дала наконец своё согласие на брак с ним. Между обоими дворами дело было тогда решено».
Свадьба планировалась на июль 1776 года. Но разве могла эта помолвка остановить российскую императрицу в выполнении своего желания? Отнюдь нет. В соратники Екатерина II призвала брата прусского короля Фридриха II, принца Генриха, к которому она и её сын были особенно расположены. В то время Генрих Прусский по политическим делам находился в Петербурге и часто общался с великим князем. Благодаря сердечному участию принца Павел довольно быстро оправился от своей потери и стал веселее смотреть на жизнь. Генрих посоветовал великому князю принять предложение матери и жениться на Софии, которая приходилась ему родственницей. Её матери, принцессе Вюртембергской, он написал из Петербурга:
«Смерть великой княгини доставляет мне случай оказать Вам услугу, любезнейшая племянница, и поговорить с Вами о предмете крайней важности. Императрица поручила мне попросить Вас приехать в Берлин с Вашими дочерьми... Поручаюсь своим честным словом, что дочь Ваша не может выйти за человека более любезного и порядочного, чем великий князь, и что она не найдёт более нежной и достойной свекрови, чем императрица; отвечаю, следовательно, за счастье её и выгоды, могущие вытекать отсюда для Вас и Вашего семейства...
Дядя и слуга Генрих».
Через три недели последовал ответ из Монбельяра:
«...Я в восхищении от изображения, делаемого мне Вами о великом князе, прекрасный характер и любезные качества которого обещают моей дочери судьбу самую счастливую. Осмеливаюсь уверить Вас, любезнейший дядя, что могу ручаться за её сердце и характер; она составляет счастье моей жизни и будет находить своё в стараниях сделаться достойной расположения и милостей Её Императорского Величества. Будучи способной привязаться, она совершит невозможное, чтобы заслужить дружбу великого князя...»