Filha do imperador dom Pedro II e da imperatriz Teresa Cristina, sucede os irmãos Afonso e Pedro, falecidos, como princesa imperial. Casa-se em 1864 com o príncipe Gastão de Orléans, o conde d'Eu. O casal tem três filhos: Pedro de Alcântara, Luís e Antônio.
Durante uma das viagens de dom Pedro II ao exterior, em 1871, assume a regência do império e sanciona a Lei do Ventre Livre, que liberta os filhos de escravos nascidos a partir da data de sua promulgação (27/9/1871). Dezessete anos depois, promove a abolição da escravatura.
Princesa Isabel assina a chamada Lei Áurea em 13 de maio de 1888. Por esse ato, é condecorada pelo papa Leão XIII com a Rosa de Ouro. O acirramento das disputas entre monarquistas e republicanos, no ano seguinte, inviabiliza sua ascensão ao trono como herdeira de dom Pedro II.
O casamento com o conde d'Eu, nobre impopular entre os brasileiros, é um dos focos das divergências. Os republicanos não querem como herdeira do trono "uma princesa casada com um príncipe estrangeiro". Com a proclamação da República, em 1889, exila-se na França com o restante da família imperial. Morre no castelo d'Eu, na região francesa da Normandia.