Ŝi ricevis la Nobel-premion pri kemio en 1911, "en rekono de ŝiaj servoj al la progreso de kemio per la eltrovo de la elementoj radiumo kaj polonio, per la izoligo de radiumo kaj la studo de la naturo kaj kunmetaĵoj de ĉi tiu rimarkinda elemento". Ŝi estis la unua persono, kiu gajnis aŭ dividis du Nobel-premiojn, kaj restas sola kun Linus Paul kiel nobelpremiitoj en du kampoj. Delegacio de famaj polaj lernantoj, gvidata de la romanisto Henryk Sienkiewicz, kuraĝigis ŝin reveni al Pollando kaj daŭrigi sian esploradon en ŝia hejmlando.
Linus Pauling