Aproximadamente a la edad de 5 años, la hija de Leonor, Ana Catalina, contrajo una fuerte enfermedad que la llevó al borde de la muerte. Estuvo enferma durante dos años. Finalmente, Leonor y Guillermo apelaron a la Virgen María con un rezo profundo, prometiendo criar a Ana como un niño de María si ella sobreviviera. Finalmente Ana sanó, y Leonor y Guillermo hablaron sobre la intervención de María en la curación de su hija y la promesa que habían hecho. Desde entonces, Leonor educó y dirigió a Ana Catalina en el culto de devoción a María. En todo momento, Ana Catalina mostró un sentido constante de piedad.
Leonor murió el 5 de agosto de 1594 a la edad de 59 años. Era viuda desde 1587 y una de las últimas hijas de Fernando I y Ana sobrevivientes hasta entonces.