El 4 de diciembre de 1999, Mathilde D'Udekem contrajo matrimonio con el Príncipe Felipe de Bélgica, en la catedral de San Miguel y Santa Gudula de Bruselas, en una ceremonia oficiada por el cardenal Primado de Bélgica, Monseñor Daneels. El príncipe Felipe fue acompañado por su madre, la Reina Paola y Matilde llegó al altar acompañada por su padre, Patrick D'Udekem D'Acoz. Con anterioridad se celebró el matrimonio civil en la "sala gótica" del Ayuntamiento de Bruselas.

Ya casada, la princesa Matilde obtuvo, en septiembre de 2002, la licenciatura en Ciencias de la Psicología por la Universidad de Lovaina (UCL), tras realizar una tesina sobre los problemas de identidad de los adolescentes delincuentes, que lleva por título "La crisis de identidad en un adolescente delincuente: de la ayuda al remedio", con la que obtuvo una calificación en grado de "distinción".

Además, Matilde de Bélgica realiza la agenda que le corresponde como princesa heredera, con viajes al extranjero y actos en Bélgica, tanto sola como acompañando al príncipe Felipe.

Fruto de este matrimonio, el 25 de octubre de 2001 nació la princesa Elisabeth Therese Marie Helene, segunda en la línea de sucesión, tras su padre.

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