Maria Kazimiera była drugą córką królewicza Jakuba i Jadwigi Elżbiety von Pfalz-Neuburg. W chwili narodzin miała siostrę Marię Joannę Leopoldynę Eleonorę Karolinę Amelię, urodzoną 30 maja 1693 roku również w Warszawie. Jadwiga Elżbieta wraz z najstarszą „królewnisią”, jak nazywano wówczas wnuczki królewskie, mieszkała w stolicy, choć dwór przebywał na Rusi, a królewicz Jakub, ku niezadowoleniu swoich rodziców, podróżował na Śląsk i do Niemiec. Latem 1694 roku odbył się wspaniały ślub Teresy Kunegundy z Maksymilianem II Emanuelem Wittelsbachem. Królewicz Jakub reprezentował elektora u boku narzeczonej, ale Jadwiga Elżbieta, choć pojawiła się na samej ceremonii w kościele, w uczcie weselnej nie uczestniczyła ze względu na złe samopoczucie, a był to przecież dopiero początek ciąży.
Druga córka królewiczostwa urodziła się 20 stycznia 1695 roku o 9 rano w Pałacu Kazimierzowskim. Otrzymała imiona Maria Kazimiera Józefa Anna Teresa Karolina. Poród przebiegł prawidłowo, a u łoża królewiczowej czuwała siostra królowej, kanclerzyna koronna Marianna Wielopolska. Dziecko pokazano dziadkom i pradziadkowi jeszcze tego samego dnia. Dziewczynka miała stać się ulubienicą babki, której imiona nosiła. Wszyscy krewni i powinowaci składali gratulacje rodzicom dziecka. Na chrzestnych wybrano króla węgierskiego i rzymskiego Józefa Habsburga, króla szwedzkiego Karola XI, elektorową Palatynatu Annę Marię Luizę de Medici, małżonkę Jana Wilhelma, brata Jadwigi Elżbiety, królewnę Teresę Kunegundę i jej małżonka, elektora bawarskiego Maksymiliana Emanuela, a także królewicza Konstantego i siostrę Jadwigi Elżbiety królową hiszpańską Marię Annę, która wylewnie dziękowała za to siostrze i szwagrowi. W wilanowskim kościele, gdzie odbył się chrzest, „królewnisię” trzymali Maria Kazimiera, Aleksander, Konstanty oraz brat królowej, hrabia de Maligny, a także wciąż przebywająca w Polsce, reprezentująca Palatynat baronowa von Zwieffeln. Chrztu udzielił prymas Michał Radziejowski.
Malutka Maria Kazimiera widoczna jest w doniesieniach z dworu bardziej niż jej starsza siostra. Królowa kazała przynosić dziecko o poranku do swej sypialni i bawiła się z nim zanim jeszcze wstała do swoich obowiązków. 31 stycznia 1696 roku „królewnisię” przyniesiono podczas obiadu pary królewskiej. Dziewczynka wyciągała rączki do Jana III, ale ten nie reagował, więc małżonka próbowała go zachęcić, by przytulił wnuczkę, zaś gdy odmówił, zasłaniając się złym samopoczuciem, królowa – zawsze czuła na punkcie ulubienicy – nie zastanawiając się wiele, zarzuciła mu, że postępuje niczym podskarbi wielki litewski Benedykt Paweł Sapieha, który też deklaruje, że małe dzieci go nie interesują. Sapieha był wrogiem króla, a i zarzut nie był prawdziwy – dawniej Jan III poświęcał dzieciom wiele uwagi.
14 lipca 1695 roku umarła pierworodna córka królewiczostwa, Maria Joanna Leopoldyna; od tej pory to Maria Kazimiera była najstarszym dzieckiem w rodzinie. W styczniu 1696 roku, gdy „królewnisia” miała zaledwie rok, spłonął Pałac Kazimierzowski. Według zapisów Marię Kazimierę i jej matkę „uniesiono” do klasztoru sakramentek. Później rodzina korzystała z apartamentów na Zamku Królewskim oraz w Marywilu.
Nie wiadomo, gdzie Maria Kazimiera spędziła trudny czas elekcji, gdyż nie odnotowano jej obecności na Jasnej Górze, gdzie zamieszkali jej rodzice, ani w Gdańsku, dokąd wyjechała królowa wdowa. Nie wiadomo, kiedy dotarła do Oławy, a właśnie tam znalazła się Jadwiga Elżbieta jesienią 1697 roku. Z pewnością „królewnisia” była na dworze rodziców u schyłku 1698 roku, gdy Maria Kazimiera podjęła ostateczną decyzję o wyjeździe do Italii. Królowa poprosiła wówczas, by wolno jej było zabrać wnuczkę do Włoch, i otrzymała stosowne zezwolenie. Zamierzała odwiedzić Oławę, by zobaczyć młodszą wnuczkę Marię Karolinę, ale na dworze królewicza Jakuba wszyscy wówczas chorowali i monarchini zrezygnowała z tej wizyty, choć wyraziła niepokój, by dziewczynkom nic się nie stało. Pojechała też prosto na Racibórz i tam syn przywiózł jej zdrową już Marię Kazimierę. Królowa wdowa w towarzystwie swego ojca, młodszych synów i wnuczki w związku z zaproszeniem na dwór cesarski podążyła do Wiednia, gdzie dołączył do nich królewicz Jakub. Właśnie tam czteroletnia Maria Kazimiera przeżyła pierwszą poważną audiencję – jej ciotka, cesarzowa Eleonora, najstarsza siostra Jadwigi Elżbiety, małżonka Leopolda I, zapragnęła zobaczyć siostrzenicę. Po „królewnisię” posłano pojazd, po czym dziewczynka miała okazję przedefilować przed damami dworu i zostać przedstawiona cesarzowej.
Później w Rzymie często zdarzało się Marii Kazimierze towarzyszyć babce na audiencjach u papieża. Pewnego razu obie Sobieskie udały się wspólnie przed oblicze Jego Świątobliwości – dziewczynka grzecznie siedziała na kolanach babki, potem zaś podeszła do papieża i uklękła, by ucałować jego stopę i odebrać błogosławieństwo; ofiarowały mu wówczas bezoar, któremu przypisywano moc przeciwdziałania truciznom. Podczas innego spotkania Maria Kazimiera z zainteresowaniem słuchała przemowy papieża, a gdy skończył, pobożnie odpowiedziała amen, czym rozśmieszyła Ojca Świętego. Zapewne uznała, że była to jakaś modlitwa. Królowa w każdym razie była z zachowania wnuczki bardzo zadowolona. Zabierała ją także na modły do świątyń rzymskich i do Neapolu, by obejrzeć cud krwi św. Januarego. Razem udały się też na Scala Santa (wł. Święte Schody), które „królewnisia” przebyła pobożnie na kolanach.
Maria Kazimiera wyjeżdżała u boku babki i pradziadka na wakacje. Wraz z królową spędzała gorące letnie miesiące w podmiejskich willach, które wynajmowała królowa, a pewnego lata przebywała z kardynałem d’Arquien w Castel Gandolfo.
Dzięki takiej aktywności była „królewnisia” postacią w Rzymie powszechnie znaną. Toteż kiedy chorowała, wzbudzała współczucie i zainteresowanie mieszkańców Wiecznego Miasta. Gdy zapadła na ospę, tłumy zgromadziły się pod oknami Palazzo Zuccari, w którym mieszkały Sobieskie, modląc się i wyczekując na wieści o samopoczuciu Marii Kazimiery. Informację, iż gorączka minęła, przyjęto wybuchami radości.
„Królewnisia” należała także do grona rzymskiej elity. Znała kardynałów, którzy odwiedzali jej babkę. Uczestniczyła w balach i przedstawieniach teatralnych w rzymskich pałacach. Występowała w teatrze Marii Kazimiery, pojawiając się na scenie u boku stryja Aleksandra, który po przyjeździe do Wiecznego Miasta zajął się organizacją przedstawień w pałacu matki. Maria Kazimiera uważała ich oboje za niezmiernie utalentowanych, ale o gracji tańca „królewnisi” pisała także jej cioteczna babka, siostra królowej.
Wyjeżdżając z Polski i prosząc o powierzenie jej opieki nad wnuczką, królowa obiecywała, iż zajmie się jej edukacją i pokryje wszelkie koszty. W rzeczywistości nie ma w korespondencji Marii Kazimiery ani słowa na temat wydatków z tym związanych. Do syna i synowej pisała, jedynie chwaląc wnuczkę i donosząc o jej rozwoju, czasem martwiąc się jej chorobami. Zdarzyło się też monarchini prosić o pomoc w znalezieniu opiekunki i ochmistrzyni dla Marii Kazimiery. Pierwotnie funkcje te pełniła Eufrozyna Sardi, której rodzina związana była z domem Sobieskich wieloletnią służbą. Kobieta ta pozostawiła w Polsce własną rodzinę, by na prośbę królowej udać się do Rzymu i zając się opieką nad „królewnisią”. Gdy Maria Kazimiera dorastała, ochmistrzyni zapragnęła wrócić do własnych dzieci. Jednak na listy królowej z prośbami o przysłanie z Oławy kogoś, kto mógłby ją u boku „królewnisi” zastąpić, nie nadchodziła odpowiedź. Wywołało to niezadowolenie monarchini, a pani Sardi ostatecznie pozostała w Rzymie. U boku „królewnisi” przebywała także później, po jej powrocie do Oławy, i być może pozostała tam aż do śmierci wychowanicy. Jednak na temat edukacji Marii Kazimiery nic bliższego nie wiadomo; z pewnością znała francuski i włoski, gdyż w tych językach prowadziła korespondencję. Z przekazów królowej wynika, że umiała mówić po polsku. Monarchini deklarowała, że wychowała wnuczkę tak, by nie była ona gąską.
Maria Kazimiera prowadziła korespondencję z ojcem. Pierwsze, czysto kurtuazyjne listy pisała w wieku siedmiu lat. Z czasem u dorastającej już kilkunastoletniej panny zaczęła się w tej korespondencji pojawiać tęsknota za domem. Może Maria Kazimiera obawiała się o zdrowie i życie babki, czego zresztą nie formułowała wprost, i pragnęła powrócić do domu rodzicielskiego, którego jednak najpewniej wcale nie pamiętała. Zamierzała udać się tam sama lub w towarzystwie sługi Sobieskich odwiedzającego regularnie Rzym, ale musiała otrzymać na to zgodę ojca, a ten na prośby, a nawet na listy córki nie odpowiadał. Nie wiadomo, czy królowa wiedziała, co zaprząta myśli wnuczki, ale oskarżała syna o milczenie i brak odpowiedzi na listy Marii Kazimiery, zarzucając mu, że takie traktowanie własnego dziecka i osoby wysoko urodzonej jest nie na miejscu. Dodawała przy tym, że wnuczka koresponduje z krewnymi z dworu wiedeńskiego i parmeńskiego, otrzymując odpowiedzi i podarki. „Królewnisia” daremnie czekała przyjazdu ojca, mając nadzieję, że wówczas jej prośby zostaną wysłuchane.
Z zachowanej korespondencji wynika, że matka chrzestna królowa Anna Maria, potem już jako wdowa, interesowała się losem Marii Kazimiery. W 1696 roku pytała o zdrowie chrześniaczki i jej rozwój, co było niezmiernie rzadkim gestem w owych czasach. Pisywała też do królowej Marii Kazimiery, wyrażając radość, że wnuczka pozostaje po jej opieką, co oznacza, że niemal na bieżąco śledziła losy chrześniaczki. Czy i ona znalazła się na liście respondentów „królewnisi”, nie wiadomo, ale chyba tak, skoro właśnie do niej napisała później Maria Kazimiera, zawiadamiając o śmierci babki.
W 1714 roku Maria Kazimiera wciąż pozostająca u boku królowej przeniosła się wraz z nią do Francji. Właściwie można założyć, że to na dziewiętnastoletniej „królewnisi” spoczął cały ciężar przeprowadzenia dworu z Rzymu do Blois. Oficjalnie celem królowej było znalezienie zdrowszego niż w Rzymie powietrza, uniknięcie wydatków związanych z prowadzeniem dworu na wysokiej stopie oraz znalezienie kandydata do ręki Marii Kazimiery.
Temat zamążpójścia wnuczki pojawiał się w korespondencji monarchini od wielu lat. Snuła ona zresztą plany wydania za mąż także pozostałych córek królewicza Jakuba, ale oczywiście los Marii Kazimiery, jako ulubionej i najstarszej z nich, leżał jej najbardziej na sercu. Toteż lista ewentualnych narzeczonych do ręki imienniczki przewijająca się w korespondencji królowej była wręcz nieskończona. Monarchini marzyła, by wydać ją za wuja, dwukrotnie owdowiałego Karola Filipa, który miał odziedziczyć Palatynat. Nawet papież i kardynałowie uwikłani byli w poszukiwanie małżonka dla młodej Sobieskiej. Wśród kandydatów pojawił się także Kosma III Medyceusz z Wielkiego Księstwa Toskanii, jednak mimo namów ze strony papieża nie był on zainteresowany małżeństwem z Sobieską. Natomiast monarchini nie podobały się plany habsburskie, by wydać Marię Kazimierę za któregoś z innych książąt włoskich, na przykład władcę Parmy czy Mantui. Uznawała, że to zbyt mało znaczące państewka, a samym kandydatom zarzucała, że polują tylko na pieniądze. Gorąco zaprotestowała również przeciw małżeństwu Marii Kazimiery z synem cara Piotra I. Ambitna królowa przeglądała listy francuskich książąt krwi, a także legitymizowanych synów Ludwika XIV i ich synów w nadziei, iż któryś z nich zainteresuje się jej wnuczką. Zapewniała też, że przekaże Marii Kazimierze cały swój majątek, a były to nie tylko klejnoty i pieniądze, ale także ziemie zakupione we Francji oraz renty umieszczone na paryskim ratuszu. W 1712 roku ku radości monarchini na jej dworze pojawili się wysłannicy wygnanego dziedzica korony brytyjskiej Jakuba III. Był to rekonesans, ale królowa gorąco wierzyła, że do małżeństwa dojdzie, a ponadto, że wybranek odzyska utracone władztwo. Spełniłoby się wówczas najgorętsze marzenie monarchini i jej wnuczka zasiadłaby a tronie. Wielu wierzyło w tym czasie, że Jakub wróci do Anglii po śmierci swej przyrodniej siostry, królowej Anny. Wdowa po Janie III nie doczekała już chwili, gdy to nie jej ulubienica, ale najmłodsza wnuczka poślubiła Pretendenta. Być może, gdyby starania Stuarta podjęte zostały na nowo jeszcze za życia królowej, nie dopuściłaby ona do takiego rozwiązania i to Maria Kazimiera wyszłaby wówczas za mąż. Kto wie, jak potoczyłyby się losy takiego małżeństwa? Zdaje się, że nie znała też babka planów wydania Marii Kazimiery za Karola XII. Pojawiły się one najpierw u progu wielkiej wojny północnej, gdy „królewnisia” była jeszcze mała, a później wróciły, gdy jej siostra poślubiła Stuarta, ale przerwała je śmierć króla szwedzkiego.
Marzenie Marii Kazimiery, by powrócić do Oławy, spełniło się po śmierci królowej w 1716 roku. Spadł na nią jeszcze trudny obowiązek rozwiązania dworu babki, ale jesienią na życzenie cesarzowej Eleonory opuściła Francję i udała się na Śląsk. Jakiś czas mieszkała w Nysie u wuja, biskupa wrocławskiego Franciszka Ludwika von Pfalz-Neuburg. Był to człowiek mocno związany z siostrą i jej córkami. Zarówno Jadwiga Elżbieta, jak i „królewnisie” często przebywały w jego posiadłościach. Biskup nie ukrywał, że czas spędzony z nimi jest dla niego rozrywką i wielką przyjemnością. Obdarowywał je biżuterią, przyborami toaletowymi, a nawet wyposażeniem wnętrz. Maria Kazimiera i Maria Karolina spędziły wraz z wujem wiele czasu po śmierci swej matki.
Nie jest jasne, kiedy najstarsza „królewnisia” przeniosła się na dwór rodziców. Nie czekano tam na nią z otwartymi rękami, a wiele wskazuje na to, że jedyną osobą, która żywo i przyjaźnie zareagowała na jej przyjazd, była najmłodsza siostra, Maria Klementyna. Gdy ta wyjechała do męża do Italii, Marię Kazimierę i Marię Karolinę zbliżyło ich trudne położenie – były starsze od Marii Klementyny, ale to one pozostały niezamężne, a cesarz zabronił nawet prowadzenia dalszych rozmów o ich małżeństwach we Włoszech.
Położenie obydwu sióstr stało się trudne zwłaszcza po śmierci matki i powrocie do Oławy wygnanego uprzednio ojca. Krewni Jadwigi Elżbiety domagali się, by cesarz nie dopuścił do wydania „królewniś” za mąż według woli królewicza Jakuba, gdyż nie dowierzano, że zadba on o dobre małżeństwa córek. Jednak nikt z krewnych nie zabiegał jednocześnie o ich zamążpójście. W tym czasie nie żyła już także cesarzowa Eleonora, największa opiekunka całego rodu von Pfalz-Neuburg, w tym także rodziny Jadwigi Elżbiety. To właśnie wówczas obie nie najmłodsze już „królewnisie” wzięły swój los we własne ręce. Jeszcze za życia Jadwigi Elżbiety w Oławie pojawił się wysłannik francuskiego rodu de la Tour d’Auvergne. Początkowo celem zabiegów matrymonialnych była Maria Karolina, którą przeznaczono dla Fryderyka Maurycego Kazimierza, księcia de Turenne i spadkobiercy rodu. Wkrótce jednak, myśląc przede wszystkim o znacznych posagach, które – jak wierzono w całej Europie – otrzymać miały wnuczki Jana III, powstał plan, by Maria Kazimiera poślubiła Emanuela Teodora, diuka de Bouillon, ojca księcia de Turenne.
Rozpoczęto więc starania na dworze cesarskim, zabiegając o zgodę na ten ślub. Pośrednikiem został brat cioteczny diuka, książę Eugeniusz Sabaudzki. Na taki plan nieprzychylnie patrzył królewicz Jakub. Nie wiadomo, czy w ogóle nie chciał wydawać starszych córek za mąż i spadek po nich przeznaczyć Marii Klementynie, czy nie podobał mu się układ, w którym Maria Kazimiera stałaby się teściową własnej siostry. Obie „królewnisie” nie dawały za wygraną i szukały poparcia przede wszystkim u dwóch najbliższych i najserdeczniej z nimi związanych ludzi: stryja, królewicza Konstantego, i wuja, biskupa Franciszka Ludwika. Wiele wskazuje na to, że uzyskały ich pomoc, bo królewicz Jakub powierzył prowadzenie rozmów z Francuzami właśnie bratu. Obie Sobieskie bardzo energicznie szukały wsparcia także w Wiedniu. Prowadziły też ożywioną korespondencję ze swoimi narzeczonymi, przy tym zwłaszcza Maria Kazimiera wzbudziła zainteresowanie u diuka, a jego listy pełne były ciepła i sympatii.
Niestety, oczekiwane zezwolenie cesarskie nie nadchodziło i najstarsza „królewnisia”, być może także wskutek narastającego napięcia, rozchorowała się. Starania najbliższych, zwłaszcza diuka de Bouillon i biskupa wrocławskiego, nie przyniosły efektu i Maria Kazimiera zmarła 18 maja 1723 roku. Została pochowana u boku matki w kaplicy Bożego Ciała, zwanej też Elektorską, zbudowanej przez biskupa Franciszka Ludwika przy katedrze wrocławskiej. Tuż przed śmiercią uczyniła zapis testamentowy, ku wielkiemu niezadowoleniu ojca wszystkie swoje dobra przekazując samotnej teraz i nadal niezamężnej siostrze Marii Karolinie.
