Александра Николаевна («Адини») родилась 12(24)июня 1825 года в Царском Селе. Она уже с раннего детства своим характером и поведением была не похожа на сестёр. Девочка предпочитала заниматься сама с собой, любила одиночество и тишину.
Александра отличалась в семье удивительной добротой и особой музыкальной одарённостью. Она имела замечательный голос и стала заниматься пением под руководством итальянца Соливи. Однако после года занятий голос княжны начал меняться, что-то нарушало ритм дыхания. Врачи предположили заболевание легких.
Среди претендентов на руку царевен оказался принц Фридрих Вильгельм Гессен-Кассельский. Приехав в Петербург, молодой красавец принц своим простым обхождением завоевал симпатии многих, но не всех: например, великой княжне Ольге Николаевне принц казался «незначительным и без особых манер». Судя по его обращению с великими княжнами, при дворе решили, что он попросит руки старшей, Ольги Николаевны. Но оказалось, что все ошибались. Вскоре стало известно, что принц Гессенский сделал предложение Александре Николаевне, но она, не дав ему определенного ответа, пришла в кабинет к отцу, где на коленях просила согласиться на этот брак. Великая княжна сказала, что. вопреки правилам этикета, она уже обнадежила принца в возможности их счастья. Николай I благословил дочь, но объяснил, что в данном случае он не может решить вопрос окончательно: ведь Фридрих Вильгельм приходится племянником Христиану VIII, он может стать наследником престола, поэтому нужно получить согласие датского двора. 16(28) января 1844 Александра Николаевна вышла замуж за Фридриха Вильгельма, принца Гессен-Кассельского (1820 — 1884). Незадолго до свадьбы у Александры Николаевны обнаружили туберкулез. Это страшное известие сообщил Николаю I лейб-медик Мандт, специально приехавший в Англию, где в это время с визитом был император Николай I. Он сказал царю, что одно легкое великой княгини уже настолько поражено, что надежды на выздоровление нет.Течение болезни лишь утяжелилось во время её беременности. Император, прервав визит, срочно вернулся в Петербург. По причине её слабого здоровья Александра с мужем после свадьбы так и не поехали в Гессен, оставшись в Санкт-Петербурге. Великая княгиня Александра Николаевна мечтала, как на новой родине она будет развивать мужа нравственно и духовно, как будет читать с ним Плутарха.
За три месяца до срока Александра Николаевна родила сына, который умер вскоре после рождения, и в тот же день скончалась сама. «Будьте счастливы» — были её последние слова. Отец-император плакал, не стесняясь своих слёз. Смерть дочери он считал наказанием свыше за кровь, пролитую в год её рождения — год подавления декабрьского восстания. Вместе с сыном Вильгельмом она была похоронена в Петропавловском соборе Петропавловской крепости. Впоследствии её захоронение было перенесено в построенную в 1908 г. великокняжескую усыпальницу.
В Петергофском парке есть мемориальная скамья памяти Александры Николаевны.
В Санкт-Петербурге после смерти Александры Николаевны был открыт детский приют её имени. Здание на углу 12-й роты (ныне Красноармейской) (д. 27) и нынешнего Лермонтовского проспекта (д. 51) было построено А. К. Кавосом в 1846—1848 (позже было полностью перестроено). А также Александрийская женская клиника.
В 1850 году в Царском селе, где окончились её дни, был возведён памятник в виде часовни со статуей великой княгини с ребёнком на руках (работы И. П. Витали).
В 1853 году принц Фридрих-Вильгельм женился вторично — на прусской принцессе Анне (1836—1918).