לאחר מות בעלה המשיכה מארי במחקרם.
בשנת 1911 קיבלה פרס נובל שני על עבודתה בתחום הרדיואקטיביות והיתה למדען הראשון ולהאישה הראשונה שקיבלו שני פרסי נובל.
בשנת 1914 עזרה להקים את מכון הראדיום בפריז וכיהנה כראש המכון.
בזמן מלחמת העולם הראשונה הקדישה מארי את מרצה למציאת דרך לצלם באמצעות הקרינה הראדיואקטיבית. היא הקימה מעבדות ראדיולוגיות אשר בהם השתמשו בקרני X כדי לצלם את גוף האדם כדי לדעת מהן דרכי הריפוי המתאימות לכל חולה.
בשנת 1934 נפטרה מארי קירי בבמחלת דם שבה לקתה עקב הקרינה הרבה אליה נחשפה.
מארי ופייר קירי עומדים אז והיום בשורה הראשונה של מדעני העולם אשר הקריבו את חייהם למען עתיד המדע. פייר ומארי חיו בעוני עקב ההוצאות הרבות על ציוד מעבדה שהיתה גם היא צריף רעוע ללא אמצעי מגן מפני הקרינה. שמם הונצח ביחידת מדידה רדיואקטיבית "קירי".
לאחר מותה של מארי הוחלף שמו של מכון הראדיום למכון קירי לזכר שני המדענים הדגולים.
בשנת 1995 הועבר אפרה של מארי ונטמן בפנתאון בפריז. מקום גבורתם של גדולי האומה. בכך הפכה לאישה הראשונה שנקברה שם בזכות השגיה המדהימים והשינוי שחוללה בדרך הבנת הכימיה והפיזיקה המודרנית.