Портрет является этюдом для большого группового портрета императорской семьи. К подготовительным работам для больших парадных изображений относится также портрет великой княгини Елены Павловны, исполненный тем же художником (1829). Два полотна отражают разную степень завершенности художественного процесса. Тип лица на портрете великой княжны Марии Николаевны близок к представленному в портрете графини О.П. Ферзен кисти К.П. Брюллова (1838).

Как правило, любой этюд, исполняемый при создании основного варианта картины, был связан с натурным сеансом. Старшая дочь Николая I, восемнадцатилетняя Мария Николаевна, позировала художнику. По традициям того времени, Брюллов писал с натуры исключительно лицо, рассчитывая позднее написать платье для портрета, не утруждая модель долгим сидением. Наделенный острым чувством натуры, мастер оказался в сложном положении, получив заказ от самого государя. Император нередко выступал цензором в отношении творчества художников и порой жестким образом вершил их судьбы. Успешному и гордому Брюллову была некомфортна роль придворного живописца.

Работая над этим этюдом, Брюллов нашел выход из сложившегося положения. Он портретирует дочь императора с тем педантичным равнодушием и старанием, с которым написал бы раскрашенный слепок. Погрудный срез композиции напоминает о модной в то время форме скульптурного портрета – так называемой герме, сближавшей облик модели с античным. Черты и пропорции лица модели близки к идеальным. Лишь ее взгляд, направленный в сторону, и пятна живого румянца напоминают о том, что этот портрет с натуры. Так как работа является подготовительной, она написана в один слой и дает представление о том, как выглядели полотна художника на начальном этапе их создания. Небольшой холст кажется акварельным портретом, исполненным на тонированной бумаге.