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Élisabeth est la première fille et le deuxième enfant du roi Henri II de France et de son épouse Catherine de Médicis. Son père était encore dauphin, et en conflit avec son propre père, François Ier.

François Ier meurt l'année suivante et le père de la petite Élisabeth devient roi de France sous le nom de Henri II laissant le titre de Dauphin à son fils aîné, François.

Élisabeth grandit à la cour des enfants de France au côté de la jeune reine d'Écosse Marie Stuart (fiancée du dauphin), dont elle partageait la chambre jusqu'au mariage de celle-ci en 1558, et de sa sœur cadette Claude qui épousera le duc Charles III de Lorraine, lui aussi élevé à la cour de France.

Élisabeth est baptisée dans la religion catholique et reçoit pour parrain le roi Henri VIII d'Angleterre (qui avait été également le parrain de son père), et pour marraines, la reine douairière de France Éléonore d'Autriche, seconde épouse de son grand-père François Ier, et la princesse de Jeanne d'Albret (future reine de Navarre sous le nom de Jeanne III).

Très tôt, le mariage d'Élisabeth est un enjeu politique ; la jeune princesse est promise au roi Édouard VI d'Angleterre, mais le souverain meurt à l'âge de 16 ans en 1553 laissant le trône à sa demi-sœur Marie Ire d'Angleterre qui épouse le roi Philippe II d'Espagne, alors en guerre contre la France.

Le mariage espagnol, gage de paix

Le traité du Cateau-Cambrésis entre l'Espagne et la France stipule que le mariage de la jeune Élisabeth et du roi Philippe II d'Espagne, devenu veuf, scellera la réconciliation des deux royaumes. Le roi avait plus du double de l'âge d’Élisabeth et l'avait demandée en mariage auparavant pour don Carlos, son fils unique issu de son premier mariage avec sa cousine germaine Marie-Manuelle de Portugal. Mais le jeune prince était par trop fragile psychologiquement pour pouvoir prendre épouse, et le roi, qui venait de perdre sa seconde épouse la reine Marie Ire d'Angleterre, s'était résolu à épouser lui-même la jeune princesse française.

Le mariage par procuration eut lieu à Notre-Dame de Paris le 22 juin 1559, le duc d'Albe représentant Philippe II, peu après le mariage de Claude, sœur cadette d'Élisabeth, avec le duc Charles III de Lorraine. Ce fut durant les festivités de son mariage que mourut tragiquement son père Henri II, victime d'un éclat de lance dans l'œil. La princesse n'étant pas nubile, son départ pour l'Espagne fut repoussé jusqu'au 18 novembre. Elle ne rencontra le roi que le 31 janvier 1560. Le mariage ne fut consommé que plus tard, en mai 15615, en raison du jeune âge de la mariée (quatorze ans).

Lors du grand tour de France de Charles IX de 1564 à 1566 (un tour organisé par Catherine de Médicis pour son fils le jeune roi Charles IX afin de lui montrer son royaume et de rencontrer divers souverains étrangers), Élisabeth fut envoyée avec le duc d'Albe par son époux Philippe II à la rencontre de son frère Charles IX lors de l'entrevue de Bayonne. Sa mère, la régente Catherine, se serait écrié en la voyant : « Ma fille, vous êtes bien espagnole ! »

Élisabeth fit une fausse couche de jumelles en 1564 puis donna au roi deux filles (en 1566 et 1567) ​

• Isabelle-Claire-Eugénie (12 août 1566 –1er décembre 1633). Mariée le 18 avril 1599 à l'archiduc Albert d'Autriche (1559 † 1621), elle fut gouverneur des Pays-Bas, comtesse de Bourgogne et comtesse de Charolais. À la mort d'Henri III en 1589, elle hérita des droits des Valois sur la Bretagne qui lui venaient de sa mère.

• Catherine-Michèle (10 octobre 1567 – 6 novembre 1597), mariée en 1585 à Charles-Emmanuel Ier (1562 † 1630), duc de Savoie

Les deux filles survivantes d’Élisabeth et de Philippe furent très proches de leur père. L'aînée, Isabelle-Claire-Eugénie, fut pressentie pour monter sur le trône de France à la mort de son oncle, le roi Henri III, décédé sans héritiers mâles (1589). Lorsque la Ligue convoqua les états généraux en 1593, le portrait d'Isabelle-Claire-Eugénie avait été installé au milieu de l'assemblée des députés réunis dans la grande salle du palais du Louvre.

Élisabeth mourut le 3 octobre 1568, 6 mois après son 23e anniversaire, alors qu'elle portait un fœtus de cinq mois de sexe féminin. Elle laissa son mari inconsolable. Le besoin d'avoir un héritier et de conforter les relations avec l'Empire, amenèrent Philippe II à se remarier peu après avec l'archiduchesse Anne d'Autriche qui lui donna le fils tant espéré pour lui succéder.​

Élisabeth de Valois était la fille du roi Henri II et de Catherine de Médicis, princesse florentine de l'importante famille Médicis. Elle était la petite-fille du roi François Ier et de la reine Claude de France. Ses grands-parents maternels étaient Laurent II de Médicis et Madeleine de La Tour d'Auvergne, princesse française. Sa grand-tante, la princesse Renée de France, avait épousé le duc Hercule II d'Este, fils de Lucrèce Borgia.

• Frères et sœurs

Élisabeth était la sœur des trois derniers rois de France de la dynastie Valois. Il s'agit de François II (1544-1560), Charles IX (1550-1574) et Henri III (1551-1589). François d'Alençon, duc d'Anjou, était également son frère cadet. Elle était aussi la sœur de Claude de France (1547-1575), duchesse de Lorraine, et de Marguerite de Valois, dite la Reine Margot, reine de Navarre.