Maria Dorothea war das erste von fünf Kindern des Herzogs Ludwig von Württemberg, genannt Louis, und dessen zweiter Ehefrau Prinzessin Henriette von Nassau-Weilburg, Tochter von Fürst Karl Christian und Prinzessin Karoline von Oranien-Nassau-Diez. Ihre Großeltern väterlicherseits waren Herzog Friedrich Eugen von Württemberg und die Nichte des preußischen Königs Friedrich II., Prinzessin Friederike Dorothea Sophia von Brandenburg-Schwedt.
Die württembergische Prinzessin genoss eine ausgewählte und umfassende Erziehung und Bildung. Ferner zeigte die junge Prinzessin ein großes musisches Talent. Dieses wurde von keinem geringeren als von dem Komponisten Carl Maria von Weber, den Herzog Louis als Privatsekretär wie auch als Hauslehrer eingestellt hatte, gefördert und geprägt.
Am 24. August 1819 heiratete Prinzessin Maria Dorothea in Kirchheim unter Teck Erzherzog Joseph Anton Johann von Österreich, Palatin von Ungarn, siebter Sohn Kaiser Leopolds II. aus dem Hause Habsburg-Lothringen und der Maria Luisa de Borbón, Infantin von Spanien.