Digne, Marie continua seule. Elle fut la première femme en France à accéder à un poste universitaire. Elle poursuivit ses recherches sur la radioactivité. Encouragée par ses amis, dont Paul Langevin, elle brigua un fauteuil à l’Académie des sciences. Mais parce qu’elle était une femme, une polonaise, une agnostique et qu’elle avait applaudi à la réhabilitation d'Albert Dreyfus, sa candidature ayant déchaîné contre elle la presse d’extrême droite, l’Académie, pour éviter le scandale, lui préféra Edouard Branly. D’autres campagnes de dénigrements suivirent, comme celle l’accusant d’une liaison avec Paul Langevin. Peu sensibles à ces attaques, en cette fin de 1911, les jurés de Stockholm lui attribuèrent le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur la détermination de la masse atomique du radium.
Après un an passé en Angleterre, de retour à Paris, elle se préoccupa surtout de la valorisation médicale de ses recherches. En 1914, l’Institut du radium vit le jour et les traitements du rayon X sur les blessés de la Première Guerre mondiale prouvèrent leur efficacité.
La paix revenue, elle s’acharna à se procurer du radium, dont les prix étaient tels que des souscriptions furent lancées à travers le monde, pour approvisionner son laboratoire de la Fondation Curie créée en 1921.
Seule femme à avoir reçu deux prix Nobel et la seule parmi tous les lauréats à avoir été récompensée dans deux domaines scientifiques distincts, Marie ne cessa d’encourager la recherche dont les fruits doivent profiter à l’humanité. Femme tenace et sans compromis, elle veilla à distribuer l’argent que lui procuraient ses nombreuses récompenses à des œuvres universitaires, offrant bourses d’étude, aidant des laboratoires principalement en Pologne. En accueillant de nombreux étudiants et physiciens, notamment étrangers, dont beaucoup de femmes, à l'Institut du radium, elle contribua aussi à l'émancipation féminine en France comme à l'étranger.
Epuisée, rongée par la leucémie due à la longue expositions aux radiations, le 29 juin 1934, elle se rendit au sanatorium de Sancellemoz à Passy (Haute-Savoie) pour y être hospitalisée. Elle devait y mourir quelques jours plus tard.
Comme celles de Pierre, qu'elle rejoignit dans la tombe, ses obsèques furent très simples.