Развод между супругами состоялся в 1845 году. Принцесса после разъезда с мужем жила в Париже, где играла значительную роль в аристократическом обществе, занимаясь искусствами. После восстановления империи она была принята в число членов французской императорской фамилии и получила титул императорского высочества. Ее салон в Париже собирал многих знаменитостей. Среди ее знакомых была и княгиня Зинаида Волконская. Принцесса не придерживалась исключительно аристократических симпатий, и в ее салоне встречались люди всевозможных убеждений. Она покровительствовала начинающим дарованиям, находившим у нее радушный прием. Как с иронией замечает один из биографов, «благодатные недра Урала и привыкшие к работе руки заводских крестьян добывали на все: и на содержание принцессы Матильды, и на ее обеды с цветом французской интеллигенции». А другой современник добавляет, что между прочими миллионами, растраченными Демидовым, немало таковых досталось и принцессе Матильде за несколько недель, проведенных с ним.

Для самого Демидова разрыв стал подлинным жизненным крушением. Претерпевший болезненное унижение, честолюбивый владелец Сан-Донато, не ведавший до той поры предела своему самовластию, впервые почувствовал свое полное бессилие. Восстановление Второй империи, приблизив Матильду к французскому престолу, придало его поражению еще большую горечь, так как от него ускользнула возможность стать членом императорской семьи. В первые годы после разрыва Демидов всеми способами старался сблизиться с ней и напомнить всему миру о своем родстве. Этим во многом объясняется его необычайно бурная меценатская деятельность. Созданием богатейших художественных собраний и покровительством художникам Анатолий надеялся привлечь внимание жены. Демидов беспрестанно пополняет свою коллекцию картинами современных ему художников. Наряду с классикой (Перуджино, Джорджоне, Тициан, Тинторетто, Мурильо, Веласкес, голландцы и др.) виллу Сан-Донато украшают картины лучших французских живописцев: Буше, Грёза, Фрагонара, Давида, Энгра, Делакруа. Именно благодаря коллекции Сан-Донато итальянские и приезжавшие русские художники были хорошо знакомы с новыми художественными течениями. Двери демидовских дворцов-музеев всегда были широко открыты для них. Значительные суммы он жертвовал и на реставрацию памятников старины и искусства, например для работ по завершению фасада базилики Санта-Кроче, усыпальницы великих людей Италии (где похоронены Микеланджело, Маккиавелли, Россини, Альфиери и др.).

Наиболее амбициозным проектом Демидова, тщетно гнавшегося «за царственным призраком», было создание грандиозного наполеоновского музея на острове Эльба. Тайной пружиной безрассудного замысла, стоившего немалых средств, было желание еще раз попытаться привлечь внимание бывшей жены или, по крайней мере, напомнить великосветской знати Европы о своей причастности к наполеоновской династии. В 1851 году Демидов купил летнюю резиденцию низложенного французского императора на острове, где тот жил с мая 1814 года до февраля 1815 года, и устроил в нем богатейший музей – мемориал Наполеона.

В организации музея и составлении экспозиции активное участие принял молодой В. С. Стасов (будущий известный художественный критик), служивший тогда в качестве секретаря А. Н. Демидова. Со временем к старому зданию была сделана обширная пристройка для размещения собранных меценатом наполеоновских реликвий. Главную достопримечательность музея составляла превосходно выполненная мраморная статуя работы знаменитого Кановы, представлявшая императора в римской тоге. Позднее она была перевезена в Сан-Донато. К сожалению, наполеоновское собрание, как и многие другие коллекции Демидовых, постигла печальная судьба: оно было распродано, большей частью за бесценок.

Неудачное супружество Демидова сказалось и на его взаимоотношениях с царским двором. Вначале неудовольствие Николая I вызвала женитьба Анатолия на родственнице его политического противника Луи Наполеона. Затем свою роль сыграли безрассудное поведение самого молодого аристократа и жалобы его супруги, обратившейся с просьбой о защите ко двору. Не нравилось царю и то, что Анатолий проживал свои богатства за границей. В силу этих обстоятельств Демидов стал все реже бывать при русском дворе и в России. Пережив глубокое потрясение за границей, он не получил поддержки и в отечестве. Конечно, ему очень хотелось вернуть расположение Николая I, но делал он это крайне неудачно. Так, однажды он решил преподнести ему в дар «царское место», которое предполагал поставить в строившемся тогда Исаакиевском соборе. Сооружение из малахита, ляпис-лазури, бронзы и золота было сделано аляповато и безвкусно, но обошлось чуть ли не в сотни тысяч. Когда Николаю I доложили об этом «царском месте», император резонно заметил: «С чего это он выдумал, что я стану в эту клетку?» «Клетка» долго пылилась в Таврическом дворце, пока ее не поставили в соборе Александро-Невской лавры.

В середине 40-х годов управление уральскими заводами все больше переходит к иностранцам из ближайшего окружения заводовладельца за границей. В 1846 году Анатолий Демидов с согласия остальных владельцев Тагильских заводов выдал доверенность на управление ими поляку А. И. Кожуховскому, обещавшему в короткий срок увеличить доходы заводов вдвое. Он полностью сменил высший состав служащих заводского управления и начал перестройку производства, привлекая к этому иностранных специалистов из числа своих людей.

Однако общее управление заводским производством при братьях осуществлялось не столько центральным правлением в Петербурге, сколько их доверенным лицом – французом А. О. Жонес-Спонвилем. Сами владельцы к этому времени окончательно утратили интерес к своему «историческому заводскому делу», хотя жили на доходы от него. Семья французских подданных Жонес-Спонвиль уже не первое поколение служила Демидовым.

Доходы Анатолия Демидова были громадными – около 2 млн рублей в год. При нем продолжались расширение и развитие заводского хозяйства, были построены новые заводы: Авроринский (1850) и Антоновский (1853) и даже шелковая фабрика во Флоренции. Все больше обособлялись «заводская» и «вотчинная» части демидовского имения. Вотчинные крепостные крестьяне стали для заводов обузой.

Однако громадные траты уральского магната, ежегодные крупные денежные переводы его бывшей жене не могли пройти бесследно. Состояние его дел в это время настолько пошатнулось, что он был вынужден устроить в 1858 году большую распродажу сокровищ Сан-Донато. Были проданы многие художественные шедевры, зверинец. После этого Анатолий Демидов отправился в длительное путешествие по Европе и Америке. Дурные наклонности его натуры стали брать верх. В путешествии его сопровождали известная балерина и не менее известная певица, которые поочередно пользовались его расположением. После долгих странствий и всевозможных приключений в начале 1860-х годов он вернулся «страшно изменившимся, с намеками грозящего паралича, с поврежденным рассудком».

Все, что только можно испытать и получить в жизни богатому человеку, – пишет его биограф, – все это досталось на долю Анатолия Демидова. Но конец его был трагичен. Прожив еще две зимы во Флоренции, он переехал в Париж, где скончался 16 апреля 1870 года. Анатолий Демидов умер бездетным, в полном одиночестве, не имея рядом ни родственника, ни друга, не дожив и до 60 лет, хотя крепкое здоровье в молодости обещало ему глубокую старость.