Abandonnée par ce dernier, elle fit annuler le mariage comme irrégulier, puis convola, en 1645, avec Edouard de Bavière (1625-1663), prince Palatin, éphémère roi de Bohème. C’est à partir de cette union qu’elle entra dans l’histoire comme princesse Palatine, à ne pas confondre avec la pétulante Elisabeth-Charlotte du Palatinat, sa nièce par alliance.
Avec son mari, prince dépossédé, plus riche de titres que d’argent, bien que vivant dans une relative pauvreté au regard de son rang, elle menait une joyeuse vie au point que la chronique lui prêta de nombreuses aventures galantes. Déjà célèbre pour cela, elle le devint plus encore par le rôle considérable qu'elle joua pendant la Fronde. Forte de ses diverses amitiés, dont celle de Mme de Chevreuse, et surtout de sa capacité pour conduire une intrigue, Mazarin, moyennant une pension et la place d’intendante de Marie-Thérèse d’Autriche, lui demanda de rapprocher Condé de la cour. Elle échoua, et dut se démettre de sa charge. Toutefois, l’indemnité qu’elle perçut ainsi que la vente de domaines lui constituèrent une belle fortune.
Dans le même temps, veuve en 1663, on la vit se révolter contre Dieu, et se livrer sans retenue aux passions déréglées du cœur dans une vie mondaine à Paris, jusqu’au jour où deux rêves la transformèrent de façon radicale. Dans l’un, un aveugle-né était venu lui parler des lumières d’En-Haut qu’il lui arrivait de voir… Nul doute qu’il s’agissait d’un avertissement du Ciel !
A partir de 1672, seul le salut de son âme dicta sa conduite. Sa nouvelle vie fut aussi édifiante que son ancienne avait été scandaleuse. Tout en conservant un crédit à la cour, elle renonça au monde, s’occupa de bonnes œuvres, fit pénitence. Elle allait souvent se recueillir à Faremoutiers, et sa maison même devint comme un monastère. Elle mourut au palais du Luxembourg.
Selon ses dernières volontés, tandis que son cœur était déposé en l’église abbatiale de Faremoutiers, la princesse Palatine fut inhumée dans la chapelle Sainte-Anne du Val-de-Grâce où reposait déjà, Bénédicte, sa sœur cadette. En 1685, Bossuet y prononça son oraison funèbre. Disparue avec les profanations révolutionnaires, il ne reste rien de sa tombe. En revanche, la pierre tombale en marbre noir de son carditaphe existe toujours dans l’actuelle église Saint-Sulpice.
« Icy est le cœur de Très Haute, Très Excellente et Très Puissante Princesse, Anne de Gonzague de CLEVES, Princesse de Mantoue et de Montferrat, Comtesse Palatine du Rhin, et Duchesse de Bavière, décédée le VI juillet M.DC.LXXXIV, âgée de LXVIII ans. » Le texte qui suit cette inscription, « Elle voulut rendre après sa mort son cœur à cette maison […], serait de Bossuet.