Op 5 juni 1861 trouwde Mathilde met Lodewijk van Bourbon-Sicilië, graaf van Trani, hij was de jongere broer van de koning van Napels. Zo brachten Mathilde en Marie de eerste jaren van hun huwelijk gezamenlijk door in Rome. In het jaar 1867 baarde Mathilde haar enige kind: Maria Theresia.
Het huwelijk tussen Mathilde en de Italiaanse graaf was verre van gelukkig. Hij was haar ontrouw en had een stevig drankprobleem. Mathilde trachtte dan ook, samen met haar zussen Marie en Elisabeth, zo veel mogelijk uitstapjes te maken.
