Marie-Anne était le douzième enfant de l'électeur palatin du Rhin, Philippe Guillaume de Neubourg, et de son épouse Élisabeth-Amalie de Hesse-Darmstadt. Elle fut élevée avec ses sœurs au château de Neubourg en Allemagne. En 1689, Marie-Louise d'Orléans, la première épouse du roi Charles II d'Espagne mourut, et les ministres espagnols durent rapidement lui trouver une nouvelle épouse. Marie-Anne fut choisie parmi d'autres candidates pour être la seconde femme de ce roi à cause de la haute fertilité des femmes de sa famille (sa mère avait donné le jour à 17 enfants). De plus, elle était la sœur d'Éléonore de Neubourg épouse de l'empereur Léopold Ier renforçant ainsi les liens avec le rameau autrichien de la maison de Habsbourg. Elle est également la petite fille de Georges II de Hesse-Darmst