En cumplimiento del [[Tratado de Fontainebleau (1611)|acuerdo matrimonial]] firmado en 1611, se casó el [[18 de octubre]] de [[1615]] en [[BurdeosBurgos]] con [[Luis XIII de Francia]] ([[1601]] – [[1643]]), hijo de [[Enrique IV de Francia|Enrique IV]] ([[1553]] – [[1610]]) y III de Navarra, y de [[María de Médicis]] ([[1575]] – [[1642]]). En el enlace, celebrado en España, no estuvo presente Luis XIII, que fue representado, en Burgos, por el [[Duque de Uceda]]. Ese mismo día, [[Isabel de Borbón, reina de España|Isabel de Borbón]], hermana de Luis XIII se casaba en [[Burdeos]] con el infante ''Felipe'', hermano de Ana, futuro [[Felipe IV de España]]. Ambas princesas fueron rápidamente «intercambiadas» (la una hacia Francia y la otra hacia España) en la [[isla de los Faisanes]], situada en el [[río Bidasoa]], cerca de [[Hendaya]]. El matrimonio de Ana de Austria y Luis XIII se celebró en Burdeos el [[21 de noviembre]] de [[1615]].
Se le atribuyó una aventura amorosa con [[George Villiers, I duque de Buckingham]], sin que pudiera probarse nada pese a las continuas visitas que éste realizaba a [[París]] para entrevistarse con la reina. Estos galanteos propiciaron la separación del matrimonio. Ana se retiró a su castillo de [[Val-de-Grâce]] en el que permaneció varios años, hasta que terminó por reconciliarse con Luis XIII, y regresó a París.
