Prinzessin Adelheid Marie wurde am 25. Dezember 1833 in Dessau als Tochter von Prinz Friedrich August von Anhalt-Dessau und Prinzessin Marie Luise Charlotte von Hessen-Kassel geboren. Aufgewachsen in einem kultivierten, kunstbegeisterten Umfeld, zeigte sie schon früh eine besondere Neigung zur Landschaftsmalerei. Während eines Aufenthalts in Dänemark im Alter von sechzehn Jahren wurde sie vom Maler Heinrich Buntzen, Professor und Mitglied der Kopenhagener Akademie, in die Ölmalerei eingeführt.

Als Schülerin von Carl Irmer und Otto Reinhard Jacobi - Vertretern der Düsseldorfer Schule - bevorzugte sie idyllische Szenen, in denen sie ihr Gespür für Atmosphäre und ausgewogene Komposition unter Beweis stellte. Wiederkehrende Motive ihres Werks waren Stillleben und Blumenstudien; darüber hinaus malte sie gerne im Freien, insbesondere entlang der Lahn.

Zu ihren Lehrern zählten auch der Maler Benjamin-Constant, dessen Atelier sie in Paris besuchte, sowie der Wiener Maler Victor Stauffer, den sie bat, ihr Porträt anzufertigen.

Während längerer Aufenthalte in ihren Schlössern in Königstein und Hohenburg setzte Adelheid Marie ihre künstlerische Arbeit unter dem Einfluss der Münchner Schule fort und bereicherte die Ausstattung ihrer Residenzen mit eigenen Kompositionen. Selbst in der evangelischen Immanuelkirche in Königstein finden sich Dekorationen aus ihrer Hand.

Um Künstler zu fördern, ließ sie in der Nähe von Hohenburg das sogenannte „Malerhaus“ errichten - ein Chalet, das sie Münchner Malern während der Sommermonate zur Verfügung stellte und ihnen im Sinne großzügigen Mäzenatentums Unterkunft und Verpflegung bot.

Nach der Thronbesteigung von Großherzog Adolph im Jahr 1890 beauftragte sie den belgischen Architekten Gédéon Bordiau, der bereits die Sommerresidenz in Königstein im Stil der Neorenaissance umgestaltet hatte. Einige historisierende Elemente finden sich auch in den Erweiterungsbauten in Luxemburg wieder und zeugen von der Beständigkeit ihres architektonischen Geschmacks.

Als Ehrenpräsidentin des „Nassauischen Kunstvereins“ förderte sie die Entwicklung des „Cercle artistique de Luxembourg“: Bei dessen Gründung im Jahr 1894 übernahm sie die Schirmherrschaft und ermutigte Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens, sich dem Verein anzuschließen. Bis 1911 stellte sie dort regelmäßig eigene Gemälde aus. Im Jahr 1902 regte sie zudem die Schaffung des „Prix Grand-Duc Adolphe“ an, mit dem jährlich das beste im Salon des „Cercle artistique de Luxembourg“ ausgestellte Werk ausgezeichnet wird.

Nach dem Tod von Großherzog Adolph im Jahr 1905 zog sich Großherzogin Adelheid Marie endgültig nach Königstein zurück, um sich der Malerei und Fotografie sowie der Erziehung ihrer Enkelinnen zu widmen, die sie regelmäßig besuchten. Dort verstarb sie am 24. November 1916, mitten im Ersten Weltkrieg.

Im Oktober 1953 wurde ihr Sarg vom Schloss Hohenburg, wo sie neben ihrem Ehemann Adolph ruhte, in die Fürstengruft von Weilburg überführt. Die Umbettungszeremonie am 20. Oktober fand in Anwesenheit ihrer Urenkel, des Erbgroßherzogs Jean und seiner Geschwister, statt. Mit ihrer Anwesenheit symbolisierten sie die dynastische Kontinuität mit ihren Vorfahren, sowohl in Nassau als auch in Luxemburg.