Matka, Katarzyna de Guise, księżna de Longueville, pochodziła z bocznej linii panującej dynastii lotaryńskiej. Maria Ludwika (imienia Ludwika Maria zaczęła używać po poślubieniu króla Polski), pochodziła z wielodzietnej rodziny, gdzie była trzecim z sześciorga dzieci i najstarszą córką książęcej pary. Na rodziców chrzestnych córki księstwo de Nevers wybrali króla Francji Ludwika XIII i jego matkę, Marię Medycejską, sprawującą regencję w imieniu dziesięcioletniego monarchy. Daje to pewne wyobrażenie o dumie rodowej francuskiej linii Gonzagów, ich ambicjach i aspiracjach, uważali się za równych głowom koronowanym i zapewne już wówczas myśleli o wydaniu Marii za któregoś z panujących lub co najmniej książąt krwi.
Prawie całe dzieciństwo i młodość spędziła w rodowym zamku Nevers. Po bardzo wczesnej śmierci jej matki Katarzyny de Guise w 1618 roku, wychowaniem dzieci zajęła się ich ciotka. Dwie młodsze siostry zostały oddane do klasztoru. Reszcie rodzeństwa zapewniono staranną edukację. Dużą wagę przywiązywano do przedmiotów ścisłych i znajomości języków obcych. W roku 1626 naukę Marii przerwała ciężka choroba. Rok później zmarł ostatni potomek mantuańskiej linii Gonzagów – Wincenty II.