Монарх, вдруг сделавшийся богобоязненным, решил жениться на Ментенон. Тайное бракосочетание состоялось в 1683 г. в Версальской часовне. Брак мадам Ментенон остался для всех тайной, он не был узаконен и публично объявлен. Несмотря на все ее настояния, король не решился возвести на трон вдову поэта Скаррона. До самой смерти она так и осталась фавориткой.
Вскоре для Ментенон отвели четыре небольшие комнаты в Версальском дворце напротив апартаментов короля. Тщательно скрывая глубокую обиду, Ментенон на всех официальных церемониях вела себя как придворная дама, а не как королева.
Казалось, она не претендовала на особое положение, жила в Версале скромнее, чем Монтеспан.
Отношения между супругами складывались необычно. Интимная жизнь короля претерпела существенные изменения. Франсуаза не обладала достоинствами молодости: она была на три года старше Людовика и холодна в постели. Вильгельм Оранский по этому поводу шутил: «Французский король — противоположность другим государям: у него молодые министры и старая любовница».
Известный историк Луи Бертран писал: «Людовик XIV был разочарован. Новая супруга вступила в конфликт со всеми его вкусами, со всеми влечениями, со всем, что было свойственно его натуре. Невозможно представить себе супругов, столь отличных друг от друга. У нее не было никакой женской нежности. И к тому же ее едва ли можно было считать настоящей женщиной».
Франсуаза также переносила супруга с трудом. Эгоизм Людовика XIV не знал границ. В угоду своим желаниям он не считался ни с чем и ни с кем.
Ментенон, больная, с высокой температурой и головной болью, должна была посещать балы, отправляться в различные поездки вместе с двором. Она боялась сквозняков — он настежь открывал окна в любую погоду. Она любила рано ложиться спать — он работал допоздна и непременно при этом хотел иметь собеседницу.
Ментенон вынуждена была не замечать любовные интриги своего супруга: более десяти лет продолжалась связь Людовика XIV с рыжеволосой красавицей Анной де Роан.
Обладая богатейшим жизненным опытом, Франсуаза понимала, как легко потерять то исключительное положение, которое она занимала. Да и надежда официально занять место королевы ее никогда не покидала. Хотя Людовик и растерял свой юношеский пыл, он иногда еще позволял себе «пошалить», поэтому высоко ценил выдержку, спокойствие, такт и ум супруги.
Исследователи считали маркизу де Ментенон женщиной «амбициозной, ненасытной и скрытной».