“玛利亚皇后”建成服役时，黑海的形势又有了新的变化。土耳其在英国购买的“苏丹奥斯曼一世”和“雷萨迪赫”战列舰在交舰前夕被英国扣押。德国送来了“格本”号战列巡洋舰和“布雷斯劳”巡洋舰。土耳其将德国战列巡洋舰和轻巡洋舰买下，分别改名为“苏丹塞利姆”号和“米迪里”号。
1916年10月，俄国战列舰“叶夫斯塔菲”、“伊凡·兹拉托乌斯特”和“潘特莱盟”号分别炮轰了土耳其的宋古尔达克和科卢兹等港口。“玛利亚皇后”号作为屏卫兵力参加了行动。10月6日，保加利亚倒向同盟国。这意味其黑海港口瓦尔纳将很快成为德国潜艇的重要基地。10月20-22日和27日，“玛利亚皇后”号两次掩护前无畏舰炮击瓦尔纳港。
“叶卡捷琳娜大帝”号刚刚加盟黑海舰队不久，1916年1月5日，由于识别错误，俄国“迅速”号驱逐舰向被当成敌舰的“叶卡捷琳娜大帝”号发射了7条鱼雷！好在无一雷命中。8日，“叶卡捷琳娜大帝”号在凯夫肯岛附近海域与“塞利姆”号不期而遇。炮战在22000-24000米的超远距离上展开了。
由于“塞利姆”号的283炮射程有限，她只完成了5次齐射。而“叶卡捷琳娜大帝”号的大仰角远程火炮发挥出了最大威力，一共发射了96发305毫米炮弹。而且射击相当准确，第1次齐射为远弹，距离德舰450米左右，第2次齐射将偏差缩小到200米，第3次齐射得偏差仅为40米的近弹！“塞利姆”号依仗自己的速度优势迅速撤退，“叶卡捷琳娜大帝”号紧追不舍。“塞利姆”号上的德国人的观察结果是“叶卡捷琳娜大帝”号的航速甚至达到了25节！不过“叶卡捷琳娜大帝”号航速差距毕竟太大，最终还是让“塞利姆”跑掉了。
1916年4月4日，“玛利亚皇后”和“米迪里”号进行了一次遭遇战。本来凭借海岸的掩蔽，“米迪里”号已经摆脱了俄国人的侦察。但是“米迪里”号的德国舰长却向俄国军舰发出了一个挑衅性的信号“吻我的屁股吧”。俄国军舰被激怒了，她立即做出了回应，第3次齐射的炮弹破片擦伤了土耳其军舰。“米迪里”号加速逃跑才驶出了“玛利亚皇后”号的射程。德国人在事后的报告中也评价俄舰的炮术极为出色。
7月4日，“塞利姆”号出动炮轰高加索沿岸图阿谢普附近的俄军阵地。黑海舰队获知该情报后，立即派出“玛利亚皇后”号、“叶卡捷琳娜大帝”号试图夹击围歼土耳其军舰。不过因为“玛利亚皇后”和“叶卡捷琳娜大帝”所处的位置有漏洞，“塞利姆”号从北边避开了俄国驱逐舰的侦察，并沿保加利亚海岸返回土耳其的博斯普鲁斯基地。由于这次行动的失败，黑海舰队司令部和参谋部门的矛盾完全公开化。结果具有瑞典血统的舰队司令А·Л·艾伯哈特中将于7月16日被解职，А·В·高尔察克中将接替了他的职务。当月21日，“玛利亚皇后”号作为高尔察克的旗舰出击，赶跑了正在追击俄国“幸运”号驱逐舰的“塞利姆”号。
1916年10月20日，俄国海军遭受了整个一次大战中最惨重的损失。早晨6点20分，“玛利亚皇后”号1号炮塔下面的舰体内浓烟和火火焰从炮塔附近的舱门、通风机和炮口处涌出。舰内马上响起了火灾警报，舰员迅速拖出消防水带奔赴着火区域。但是紧接着前部弹药库发生了大爆炸，司令塔、前桅杆和烟囱全部倾倒，1号炮塔被炸飞，从炮塔圈座里腾起的火焰高达300多米。军事工程师伊格纳切夫率领一群勇敢的水手放水将前部弹药库淹掉。尽管随后的爆炸夺去了全部这些勇士的生命，但是他们为以后的损管争取到了时间。剩下3个弹药库的消防进水阀被及时打开了。
到7点左右，尽管舰内仍然不断有些小的爆炸，火势却是在慢慢消退。舰员们的损管工作取得了明显成效。但是7点过后不久，可能是在前部鱼雷室又发生了一次爆炸，其烈度和第一次大爆炸相当。整个舰首横隔墙被彻底摧毁，海水以不可阻挡之势扑进舰内。“玛利亚皇后”的舰首迅速下沉，7点12分，艏部已经完全没入水下。接着舰体逐渐向右倾斜，舰长在此时下达了弃舰令。4分钟后，“玛利亚皇后”向右倾覆翻倒沉没，1名军官、2名候补生和225名水兵丧命。
事故调查委员会总共提出了3种可能的原因：1火药因温度过高自然，2运输发射药或底火时，因不慎碰撞诱发爆炸，3故意的破坏行为。最有可能的还是第一种原因，因为“玛利亚皇后”号在试航时就曾经发现前部弹药库存在温度偏高的问题。原因是弹药库和温度比较高的前锅炉舱挨的太近。另外，由于第一次爆炸就损坏了“玛利亚皇后”的全部锅炉蒸汽管道，致使所有的发电机均无法工作，导致舰内连应急照明的动力都没有。
这被认为是“玛利亚皇后”号损管失败的最重要因素。尽管如此，这个损失对黑海舰队的影响仅仅是战术性的。因为“叶卡捷琳娜大帝”号已经服役，“沙皇亚历山大三世”号获得动力系统后，也即将建成完工。而土耳其舰队却没有得到任何加强。