En 1902, à Göttingen, elle rencontre le physicien Paul Ehrenfest, qu’elle épouse en 1904. Le couple aura quatre enfants dont la mathématicienne Tatiana Pavlovna Ehrenfest.

Elle a collaboré aux travaux de son mari sur la mécanique statistique de Ludwig Boltzmann ; elle a publié des travaux mathématiques sur les probabilités et l’entropie.