После гибели мужа Елизавета Федоровна решила посвятить свою жизнь Господу через служение людям и создать в Москве обитель труда, милосердия и молитвы. Она распродала все свои драгоценности и на вырученные средства устроила Марфо-Мариин-скую обитель. Сняв с себя траурное платье и облачившись в монашеское одеяние, Елизавета сказала: «Я оставляю блестящий мир, где я занимала блестящее положение, и восхожу в более великий мир – в мир бедных и страдающих».
При обители открылась больница, считавшаяся впоследствии лучшей в Москве, аптека, в которой лекарства отпускались бедным бесплатно, детский приют и школа. Елизавета Федоровна брала на себя самую ответственную работу: ассистировала при операциях, делала перевязки, находила слова утешения, стремилась облегчить страдания больных. Они говорили, что от великой княгини исходила целебная сила, которая помогала им переносить боль и соглашаться на тяжелые операции. Здесь исцелялись те, от кого отказывались врачи. Исцеленные пациенты плакали, уходя из Марфо-Мариинской больницы, расставаясь с «великой матушкой», как они называли настоятельницу.
Великая княгиня тяжело переживала отречение императора Николая и начало революции. Ей предложили уехать из страны, но она отказалась. В ее письмах того времени есть следующие слова: «Я испытываю такую глубокую жалость к России и ее детям, которые в настоящее время не знают, что творят. Разве это не больной ребенок, которого мы любим во сто раз больше во время его болезни, чем когда он весел и здоров? Хотелось бы понести его страдания, помочь ему… Великой России, увы, больше нет. Мы… должны устремить свои мысли к Небесному Царствию… и сказать с покорностью: “Да будет воля Твоя”».
На третий день святой Пасхи 1918 года Елизавета Федоровна была арестована, а через два месяца, 18 июля 1918 года, ее вместе с другими членами императорского дома сбросили в шахту старого уральского рудника. Она лишь крестилась и громко молилась: «Господи, прости им, не знают, что делают!» Окрестные крестьяне рассказывали, что несколько дней из шахты доносилось пение молитв. Скончались они в страшных страданиях, от жажды, голода и ран. Несколько месяцев спустя армия адмирала Колчака, заняв Екатеринбург, извлекла из шахты останки убитых. Однако погребение состоялось только через три года в январе 1921 года на Святой Земле, которое совершил Иерусалимский патриарх Дамиан. В молитвах, обращенных к ней, православные христиане называют Елизавету Федоровну «Красотой Церкви Российской».