Однако ее жених, судя по отзывам современников, нервничал, злоупотреблял горячительными напитками и ухаживал также и за младшей сестрой. Не лучшее начало для брака.
По брачному договору Анна Петровна сохраняла православное вероисповедание и могла воспитывать в православии рожденных в браке дочерей, тогда как сыновья должны воспитываться в вере отца. Анна и ее муж отказывались от возможности претендовать на российскую корону, но договор имел секретную статью, по которой Петр оставлял за собой право провозгласить наследником сына от их брака.
Через месяц после обручения дочери Петр I скончался, и императрицей провозгласили Екатерину, во всем опиравшуюся на Меншикова. Уже при новой императрице совершилось бракосочетание герцога с Анной Петровной — 21 мая (1 июня) 1725 года, в Троицкой церкви на Петербургской стороне. К церкви жених и невеста ехали «в большой уборной цветной Барже». «На Ея Высочестве Государыне Невесте была Цесарская Корона, украшенная Бралиантами и протчими драгими каменьями, и одеяние было Порфира пурпуроваго бархата, подбитая Горностаями», — отмечено в официальном описании торжества. Свадьбу справляли в Летнем саду, в обширной зале для торжеств. «По обоим сторонам за столами сидели и протчие Российские Кавалеры, и чюжестранные Министры, и другие знатные Особы, и Дамы, которые званы были до 7 класса: которых было всех званных до 400 персон, все в богатоубранном цветном платье: так же и все подлые разных чинов люди пущены были для гулянья в огород Ея Величества. И во время стола стреляли много раз с помянутой Яхты из пушек, и трубили на трубах с литаврным боем, а музыки иной ни какой не было». В честь праздника фонтаны в Летнем саду били красным и белым вином, на лугу «близь большого глобуса» выстроились гвардейцы, которые дали салют в честь императрицы и молодоженов.
Молодожены поселились в трехэтажном каменном доме, нанятом за 3000 рублей у генерал-адмирала Апраксина (дом этот находился на месте Салтыковского подъезда нынешнего Зимнего дворца).
Карл Фридрих принадлежал к весьма разветвленной Ольденбургской династии, к ее младшей Гольштейн-Готторпской линии, был правителем сразу трех маленьких княжеств — Гольштейна, Готторпа и Шлезвига. Уже не первый век гольштейн-готторпские князья лавировали между Швецией, Данией и Германией, пытаясь сохранить территориальную целостность и, по возможности, продвинуть одного из своих отпрысков на шведский или датский престол, на которые они теоретически тоже имели права. При таком положении дел каждый младенец мужского пола, родившийся в этой семье, являлся той пешкой, которая потенциально могла пройти в ферзи. К тому же союзом с Россией Карл Фридрих значительно укрепил свои позиции.
Но — вот незадача! — в 1721 году Дания закрепила в международном договоре передачу герцогства Шлезвиг с его важнейшими портовыми городами на Балтийском и Северном морях по наследству вместе с датским королевским престолом. В 1725 году императрица Екатерина начала готовиться к войне за возвращение Шлезвига своему зятю. Однако приготовления вскоре сошли на нет — забеспокоилась Англия, а с ней приходилось считаться даже российской монархине. 6 мая 1727 года императрица скончалась, наследником провозгласили сына царевича Алексея и Софии Шарлотты, Петра II. Ему тогда исполнилось 12 лет, и ввиду его малолетства назначили регентский совет в состав которого, в числе прочих, вошли Карл Фридрих и цесаревны Анна и Елизавета. Но пока для малолетнего Петра строился дворец на набережной Невы рядом с дворцом Меншикова и в невесты царевичу предназначалась дочь Меншикова — Мария. «Полудержавный властелин» недолюбливал Карла Фридриха и в конце концов вынудил «загостившегося» герцога и его супругу уехать из России.
25 июля 1727 года супруги отплыли в город Киль, а 10 (21) февраля 1728 года в Кильском замке на свет появился сын Анны и Карла Фридриха, которому при рождении дали имя Карла Петра Ульриха. Рождение наследника отмечалось пышными торжествами. Но, к сожалению, желая полюбоваться фейерверком, едва оправившаяся от родов Анна Петровна неосторожно открыла окно. Фрейлины умоляли ее поберечь себя, Анна только рассмеялась и сказала: «Мы, русские не так изнежены, как вы», но она ошиблась. 4 мая 1728 года герцогиня скончалась от горячки.