В сентябре 1816 г. новоиспеченная нидерландская принцесса прибыла к новому месту жительства. Нидерланды Анне понравились. Летом чета жила под Утрехтом, зимой переезжала в Брюссель, тогда вторую столицу страны. Анна прилежно учила голландский язык, изучала историю и культуру своей новой родины. Новая семья приняла ее тепло. Свекор, король Нидерландов Виллем I, подарил невестке домик в Заандаме, где во время своего европейского путешествия останавливался Петр I. Этот подарок был сделан 2 августа 1818 г. в честь рождения второго ребенка четы. Анна велела построить над домиком каменный навес и тщательно следила за тем, чтобы реликвия находилась в хорошем состоянии.

Всего в семье принца Виллема и принцессы Анны родилось пятеро детей: принцы Виллем-Александр-Пауль (1817–1890, в будущем король Нидерландов Виллем III), Виллем-Александр (1818–1848), Виллем-Николай (1820–1879, в будущем Великий герцог Люксембургский), Виллем-Казимир (1822, умер в четырехмесячном возрасте) и принцесса Виллемина-Мария (1824–1897).

Впрочем, достаточно скоро выяснилась большая разница в характере супругов. Принц Виллем был простым и демократичным человеком, что удивительным образом сочеталось в нем с любовью к неограниченным денежным тратам. Анна же умела считать деньги и часто выговаривала мужу за его необдуманные расходы. Но она с детства привыкла к роскоши, блеску и чопорности петербургского двора и долго не могла свыкнуться с тем, что на новой родине дворцовые порядки гораздо проще. Характерным был такой случай. Однажды на параде разразился страшный ливень, все укрылись под навесами или зонтами, и только Анна осталась стоять под дождем – допустить, чтобы зонт над ней держал простой лакей, она не могла, а все придворные попрятались…

Бурным для семьи выдался 1830 г. – год раскола Нидерландов надвое. В результате усилий тайной дипломатии, «подкрепленных» народным восстанием, в Европе появилась новая страна – Бельгия. Муж Анны за неудачное руководство голландской армией, подавлявшей мятеж, был отстранен его отцом-королем от должности. Но все же кризис удалось миновать, Нидерланды с трудом, но избежали кровавой гражданской войны, которая грозила перерасти в европейскую. Официально страна признала отделение от нее Бельгии лишь в 1839 г.

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.