Durement réaliste, Mathilde ne croyait sans doute pas à la réalité d'être un jour impératrice des français. Elle avait préféré le profit immédiat de devenir une princesse russe en épousant un prince Anatole Demidoff, qu'elle épouse le 1er novembre 1840 à Florence, il est fait peu avant le mariage prince de San Donato » par le grand-duc Léopold II de Toscane
(titre non reconnu en Russie). Ce mariage sans postérité ne fut pas heureux.
Demidoff, fabuleusement riche mais violent, refusa de quitter sa maîtresse, Valentine de Sainte-Aldegonde. Mathilde revint à Paris en emportant les bijoux qui étaient censés constituer sa dot, mais que Jérôme Bonaparte, toujours à court d'argent, avait vendus à Demidoff avant leur mariage.
Malgré cela, Anatole Demidoff fut condamné par le tribunal de Saint-Petersbourg à verser à la princesse Mathilde une pension de 200 000 francs par an et ne récupéra jamais les bijoux. Les époux furent autorisés à se séparer en 1847sur décision personnelle de l'empereur de Russie Nicolas 1er. Mathilde s'installe à Paris en 1846 à la fin du règne de Louis-Philippe auprès de son amant le comte Emilien de Nieuwerkerke rencontré quelques années auparavant à San Donato. Elle ne tarda pas à se séparer de lui. Elle mena après le mariage de Napoléon III une existence un peu en retrait, mais avec tout les honneurs dus à une princesse impériale.