Maria Ludwika Gonzaga urodziła się 8 lub 18 sierpnia 1611 roku w Nevers lub w Paryżu. Była córką księcia Mantui Karola Gonzagi i Francuzki Katarzyny de Guise księżnej Maine. Jej rodzice należeli do najlepiej w Europie skoligaconych rodów arystokratycznych. Wśród ich przodków byli królowie, a nawet ostatni cesarz Bizancjum. Jej chrzestnymi rodzicami byli król Francji Ludwik XIII i jego matka Maria Medycejska, sprawująca wówczas regencję w imieniu dziesięcioletniego syna.

Maria Ludwika prawie całą młodość spędziła w rodowym zamku Nevers. Otrzymała staranne wykształcenie, znała zarówno przedmioty ścisłe, jak i kilka języków. Spory majątek jej ojca w dużej mierze pochłonęły próby objęcia odziedziczonego po bracie tronu w księstwie Mantui. Trzeba było zlikwidować dwór w Nevers, wówczas Maria Ludwika zamieszkała wraz z ciotką w Paryżu.

W roku 1627 jej rodzina po raz pierwszy próbowała wydać ją za mąż. Jej narzeczonym miał być książę Gaston Orleański. Małżeństwu przeszkodził król Ludwik III. W efekcie sporu Maria spędziła trzy lata jako rezydentka w twierdzy Vincennes. W roku 1634 znalazła się na liście kandydatek na żonę polskiego króla Władysława IV z rodu Wazów, wybrał on jednak Cecylię Habsburżankę.

W roku 1640 poznała polskiego królewicza Jana Kazimierza, który odpoczywał w Paryżu po dwuletnim pobycie we francuskim więzieniu, gdzie trafił podejrzany o szpiegostwo. Młodzi arystokraci podobno przypadli sobie do gustu, a wszechwładny w Paryżu kardynał Richelieu miał rozważać ich małżeństwo. Do porozumienia jednak nie doszło a królewicz wyjechał do Polski.

W tym czasie Maria Ludwika miała przeżyć swój romans życia z markizem Henrykie d’Effiat, który zamieszany w spisek na życie króla położył głowę pod katowski topór. Maria popadła wówczas w niełaskę i do śmierci kardynała Richelieu i króla Ludwika XIII musiała unikać Paryża.

Wiosną roku 1644 król polski Władysław IV owdowiał i wówczas dzięki zabiegom kardynała Mazariniego przypomniał sobie o pięknej francuskiej arystokratce. Ludwika Maria nie pałała entuzjazmem do Władysława, ale perspektywa zostania królową osłodziła jej wyjazd do Polski. Wraz z ręką Marii Ludwiki król otrzymał ogromną sumę 700 tysięcy skudów jako zadośćuczynienie za zrzeczenie się roszczeń do dziedziczonych przez pannę młodą dóbr we Francji i Mantui.

Małżeństwo na odległość zawarto w roku 1645, a Maria Ludwika zgodziła się odwrócić kolejność swoich imion, bo w Polsce imię Maria zarezerwowane było dla Matki Boskiej.
Faktyczny ślub królewskiej pary odbył się w Warszawie 10 marca 1646 roku, a koronacja 15 lipca na Wawelu.

Zdobyte w efekcie małżeństwa pieniądze król Władysław IV zamierzał spożytkować na planowaną od dawna wojnę z Turcją. W tym celu rozpoczął niezbyt udaną akcję dyplomatyczną i zaciągi Kozaków, co w końcu zaowocowało wybuchem powstania Chmielnickiego. Małżeństwo nie było udane, król nie przepadał za małżonką, od której zmuszony był pożyczać pieniądze.

Na szczęście wszystko to nie trwało zbyt długo bo 20 maja 1648 roku Władysław IV zmarł. Jesienią tego samego roku następcą wybrano jego młodszego brata Jana Kazimierza, który wkrótce oświadczył się królowej wdowie i został przyjęty. 30 maja 1649 roku nastąpiły zaślubiny i odtąd rozpoczęła się szczególna działalność zdecydowanej i silnej Ludwiki Marii u boku chwiejnego i słabego króla.

Przywieziony z Francji niebagatelny majątek pozwolił jej udzielać pożyczek także austriackiemu cesarzowi, za co jako zastaw dostała we władanie księstwo opolskie. To właśnie dzięki temu gdy w roku 1655 Szwedzi zalali Rzeczpospolitą, królewska para mogła schronić się w Opolu, a potem w Głogówku. Ludwika Maria okazała się osobą bardzo energiczną, do tego stopnia, że sama wydawała rozkazy dowódcom wojsk.

To ona tchnęła w rozważającego abdykację króla wolę dalszej walki, to z jej inicjatywy 1 kwietnia 1656 roku w katedrze we Lwowie król Jan Kazimierz złożył słynne śluby oddając Królestwo Polskie pod opiekę Najświętszej Maryi Pannie. Stało się to sygnałem do antyszwedzkiego powszechnego powstania. Równocześnie królowa wynegocjowała sojusz z cesarzem, który obiecał przysłać do Polski korpus posiłkowy i wywrzeć wpływ na elektora brandenburskiego aby odstąpił od Szwedów.

Jak można się domyślać tak aktywna politycznie królowa nie mogła być lubiana przez stale obawiającą się o swoje prawa szlachtę. Nie przeszkodziło jej to w otwartym postulowaniu rozwiązań wzmacniających władzę króla, wprowadzenia elekcji za życia poprzedniego monarchy czy wzmocnienia kompetencji senatu. Ponadto z jej inicjatywy sprowadzono do Polski zakony Księży Misjonarzy, Sióstr Miłosierdzia oraz Wizytek, a w roku 1661 założyła pierwszą polską gazetę zatytułowaną „Merkuriusz Polski”. Prowadziła także pierwszy polski salon literacki.

Królowa Ludwika Maria zmarła w Warszawie 10 maja 1667 roku. Pochowano ją na Wawelu, a jej serce w warszawskim kościele sióstr Wizytek. Po jej śmierci chęć do życia stracił także król Jan Kazimierz, który wkrótce ogłosił abdykację.