Em 1785 seu casamento foi arranjado com a infanta Dona Carlota Joaquina, filha do futuro rei Carlos IV de Espanha (na época, ainda era o herdeiro do trono) e de Dona Maria Luísa de Parma. Por razões políticas, temendo uma nova União Ibérica, parte da corte portuguesa não via o casamento com uma princesa espanhola com bons olhos. Apesar de sua pouca idade, Carlota era considerada uma menina muito vivaz e de educação refinada. Não obstante, teve de suportar quatro dias de testes diante dos embaixadores portugueses antes que o casamento se confirmasse. Também, sendo parentes, e pela pouca idade da infanta, os noivos precisaram de uma dispensa papal para poderem se unir. Após a confirmação, a outorga das capitulações matrimoniais foi assinada na sala do trono da corte espanhola, cercada de grande pompa e com a participação dos grandes de ambos os reinos, seguindo-se imediatamente o esponsal, realizado por procuração. D. João foi representando pelo próprio pai da noiva. À noite foi oferecido um banquete para mais de dois mil convidados.