Мафальда родилась в Риме. В детстве она была близка со своей матерью, от которой она унаследовала любовь к музыке и искусству. Во время Первой мировой войны она сопровождала свою мать в итальянские военные госпитали.
23 сентября 1925 года, в замке Раккониджи, Мафальда вышла замуж за принца Филиппа Гессенского, ландграфа Гессен-Кассельского. Принц Филипп был лояльным членом немецкой национал-социалистической (нацистской) партии, а его брат Кристофер был частью партийной иерархии и был женат на принцессе Софии Греческой и Датской, сестре принца Филиппа, герцога Эдинбургского, будущего мужа королевы Великобритании Елизаветы II.
Брак принца Филиппа с принцессой Мафальдой посадил его в состояние выступать в качестве посредника между национал-социалистическим правительством Германии и фашистским правительством в Италии. Однако, во время Второй мировой войны Адольф Гитлер (глава Национало-социалистической партии и канцлер Германии) считал, что принцесса Мафальда работает против войны; он называл её «чёрной падалью в итальянском королевском доме».
В начале сентября 1943 года принцесса Мафальда ездила в Болгарию, чтобы присутствовать на похоронах мужа её сестры Иоанны, царя Бориса III. Находясь там, она была проинформирована о капитуляции Италии, что её муж в настоящее время содержится под домашним арестом в Баварии, и что её детям было предоставлено убежище в Ватикане. Когда она прибыла в посольство Германии, то была арестована якобы для того, чтобы её отец, король Италии, действовал на войне в интересах Германии. Принцесса Мафальда была доставлена в Мюнхен для допроса, а затем в Берлин, и, наконец, в концентрационный лагерь Бухенвальд.
24 августа 1944 года союзники бомбили завод боеприпасов в Бухенвальде. Почти четыре сотни заключенных были убиты, а принцесса Мафальда была тяжело ранена: она была размещена в блоке, и, когда нападение было совершено, была по шею в мусоре; она получила сильные ожоги рук. Чтобы не пошло заражение, руку пришлось ампутировать. Она истекала кровью во время операции и не пришла в сознание. Умирая, Мафальда сказала двум другим итальянским заключенным из лагеря, «Помните меня не как итальянскую принцессу, но как итальянскую сестру». Мафальда умерла в ночь с 26 на 27 августа 1944 года. Её тело было перезахоронено после войны в замке Кронберг в Гессене.
Гессенская королевская семья не была уведомлена о её смерти, хотя слухи начали ходить в конце 1944 года. Её смерть была подтверждена только после того, как Германия капитулировала в 1945 году.
В 1997 году итальянское правительство выпустило почтовые марки с изображением принцессы Мафальды.