Stefanie en haar broer en zussen hadden geen liefdevolle jeugd. Hun moeder, koningin Marie Henriëtte van Oostenrijk, toonde weinig genegenheid voor haar kinderen, ook hun vader, koning Leopold II van België, had weinig belangstelling voor hen. Hun moeder voedde haar drie dochters streng op waarbij ze hen ook met een stok sloeg.
In het voorjaar van 1868 viel de bijna 9-jarige Leopold, de enige broer van Stefanie, in een vijver in het park van Laken. Hij kreeg koude rillingen na de val, zijn toestand verslechterde snel en de arts stelde acute pericarditis, een ontsteking van het hartzakje, vast. In de zomer leek het erop dat hij zou gaan herstellen, maar hij stopte niet met hoesten. De arts adviseerde de huig te verwijderen en voerde deze operatie uit voordat de jonge hertog naar Oostende ging om te herstellen. Koningin Marie Henriette isoleerde zich in Spa om uit te rusten, terwijl koning Leopold II, tegengehouden door staatszaken, en zijn twee dochters in Laken bleven. In augustus leed Leopold aan waterzucht, hij werd teruggebracht naar Laken. De koningin verliet sindsdien nooit het bed van haar zoon.
Na in september de laatste sacramenten te hebben ontvangen, zag de kleine hertog er beter uit, maar zijn toestand verslechterde opnieuw. Op 22 januari 1869 overleed Leopold aan een longontsteking. Bij de begrafenis van haar zoon, Leopold II, ‘zakte de koningin voor de enige keer in haar leven in het openbaar in elkaar, ze zakte op haar knieën naast de kist en snikte onbedaarlijk’. Het lichaam van Leopold werd bijgezet in de Koninklijke Crypte van de Onze-Lieve-Vrouwekerk van Laken in Brussel.
Na de dood van hun enige zoon bleven de koning en koningin achter met twee levende dochters, prinses Louise en prinses Stefanie. In maart 1871 kreeg hun moeder een miskraam, de koningin raakte daarna opnieuw zwanger en op 30 juli 1872 beviel de koningin van een derde dochter, prinses Clementine. Na de geboorte van prinses Clementine gaven de koning en koningin de hoop op een zoon op.
