Françoise Madeleine d'Orléans (13. Oktober 1648 - 14. Januar 1664) wurde im Château de Saint Germain en Laye geboren und war die jüngste überlebende Tochter von Gaston von Orléans und seiner zweiten Frau Marguerite von Lothringen. Von Geburt an trug sie den Namen Mademoiselle de Valois. Sie war die Lieblingsschwester von La Grande Mademoiselle. Sie wuchs in der Gesellschaft ihrer Schwestern im Châteaude Blois auf. Unter dem Einfluss ihrer Tante väterlicherseits, Christine, der Herzoginwitwe von Savoyen, wurde sie mit ihrem ersten Cousin Karl Emanuel II., Herzog von Savoyen, verlobt.
Orléans heiratete den Herzog von Savoyen in Vertretung im Palais du Louvre am 4. März 1663. Das Paar traf sich zum ersten Mal am 3. April 1663 in Annecy, wo sie offiziell verheiratet wurden. Die heimwehgeplagte Prinzessin starb bald darauf im königlichen Palast von Turin kinderlos im Alter von 15 Jahren. Sie wurde in der Turiner Kathedrale beigesetzt, wo sie heute ruht. Ihr Mann heiratete erneut Marie Jeanne von Savoyen, mit der er einen Sohn hatte.