Maria Dorothea Sophia zu Oettingen-Oettingen (* 29. Dezember 1639 in Oettingen; † 29. Juni 1698 in Nürtingen) war die zweite Ehefrau von Herzog Eberhard III. von Württemberg (1614–1674).
Sie wurde geboren als fünftes Kind von Graf Joachim Ernst zu Oettingen-Oettingen (1612–1659) aus dem protestantischen Zweig des Hauses Oettingen und drittes Kind seiner zweiten Frau Gräfin Anna Dorothea zu Hohenlohe-Neuenstein-Gleichen (1621–1643).
Am 20. Juli 1656 heiratete sie in Ansbach im Alter von sechzehn Jahren Herzog Eberhard III., nachdem dessen erste Frau Anna Katharina Dorothea von Salm-Kyrburg am 7. Juni 1655 gestorben war.
Aus dieser zweiten Ehe Eberhards gingen folgende Kinder hervor:
Alle ihre Kinder verstarben kinderlos.
Ihr jüngerer Bruder Graf Albrecht Ernst I. zu Oettingen-Oettingen (1642–1683) heiratete im Gegenzug nacheinander zwei Töchter Herzog Eberhards aus dessen erster Ehe: am 7. Juni 1665 in Stuttgart Prinzessin Christine Friederike von Württemberg (1644–1674) und am 30. April 1682 in Oettingen Eberhardine Catharine von Württemberg (1651–1683), wodurch beide sowohl Stieftochter wie Schwägerin von Maria Dorothea wurden.
Nach dem Tod ihres Mannes lebte sie zwischen 1675 und 1690 in Schloss Kirchheim, einem der traditionellen Witwensitze der Württemberger. Nach dem Großen Stadtbrand von Kirchheim am 3. August 1690 wurde ihr das Nürtinger Schloss als Witwensitz zugewiesen.