Ирен была свидетельницей славы Мари Кюри, которую можно было сравнить лишь со славой Альберта Эйнштейна. Но она видела, что эта слава оставляет ее мать довольно равнодушной. Мари часто говорила, что личность ученого сама по себе не имеет значения, важны лишь его открытия. Впоследствии, когда Ирен Жолио-Кюри сама стала всемирно известным ученым, она тоже всегда была неизменно скромна.

После окончания университета Ирен Кюри работала препаратором (лаборантом) в Институте радия. Под руководством матери она начала готовить докторскую диссертацию на тему об исследовании альфа-частиц, испускаемых полонием, которую защитила в 1925 году. После защиты она продолжала изучать природные радиоактивные элементы, особенно полоний, и это заняло у нее несколько лет. Результаты своих работ Ирен изложила в монографии «Природные радиоактивные элементы», изданной в Париже в 1946 году, а затем в Варшаве (в переводе на польский язык) в 1954 году.

Работы Ирен всегда интересовали Мари Кюри, и часто мать и дочь обсуждали их совместно. Академик А.Ф. Иоффе, посещавший Институт радия, писал в воспоминаниях: «Показывая работы своей дочери Ирен Кюри и племянника покойного мужа, мадам Кюри старалась получить объективное суждение посторонних; она хотела, видимо, проверить высокую оценку, которую нельзя было не дать их деятельности. Уже в те годы по своему таланту выделялся в институте Фредерик Жолио, впоследствии муж Ирен Кюри».

А.Ф. Иоффе считал, что открытое Ирен совместно с мужем Фредериком Жолио-Кюри явление искусственной радиоактивности, как и другие их выдающиеся достижения, навсегда останутся в истории науки. А.Ф. Иоффе отмечал также высокие моральные качества всех членов этой семьи. Он писал: «Что особо отличало Ирен Кюри — это ее правдивость. Каждое произнесенное ею слово отвечало тому, что она думала. Иногда это вызывало конфуз для ее собеседников. Такая ситуация возникала особенно часто, когда она в период Народного фронта входила в правительство в качестве руководителя науки и народного просвещения. Не все люди, с которыми она встречалась по должности, заслуживали уважения, и не все догадывались избегать ее высказываний, которые точно, без прикрас выражали ее мнение».

В 1926 году Ирен вышла замуж за Фредерика Жолио. Соединились имена и личные судьбы двух талантливых ученых.

Эжени Коттон писала: «На первый взгляд казалось, что характеры молодых супругов очень несходны. Фредерик — порывист, Ирен — сдержанна и методична... Но у них были одинаковые взгляды на науку, на спорт, на семейную жизнь. Гуляя в лесу Сенар, они увидели, что любят длинные прогулки. На берегу моря они с радостью обнаружили, что оба великолепно гребут и плавают, а в горах они узнали, что оба любят лыжи. Иногда они поддразнивали друг друга. Ирен говорила друзьям: „Есть мужья, которые бережно хранят фотографию жены. Попросите Фреда показать карточку, которую он носит в своем портфеле“. Это была карточка не Ирен, а великолепной щуки, пойманной Фредериком».

«Семья Жолио-Кюри, — писал Бруно Понтекорво, — была необычайно простой, приветливой, исключительно дружной, хотя Фредерик и Ирен были очень разные по характеру люди. Она — застенчивая, немногословная, он — мастер рассказывать разные истории, не прочь „послушать себя“ — типичный француз. Мне приходит на память такая сцена. На одном из семинаров в лаборатории Жолио его жена Ирен сидит рядом, обеспокоенная здоровьем мужа, который непрерывно курит. Она несколько раз выхватывает у него изо рта сигарету и бросает ее, а он невозмутимо закуривает новую. Это продолжается до тех пор, пока Фредерик не пересаживается на другое место».

Весной 1934 года резко ухудшилось здоровье Мари Кюри. Ирен и Фредерик проводили много времени в комнате больной. Мари беседовала с дочерью и зятем о неотложных опытах, корректурах статей, о молодых сотрудниках Института радия. Совершенно ослабевшую, но не утратившую удивительной ясности ума Мари Кюри отвезли в санаторий в Сансельмозе. Врачи предприняли попытки спасти ее жизнь, но тщетно.

Лаконичные записи в больничном журнале гласят:

«Мадам Кюри скончалась в Сансельмозе 4 июля 1934 года».

«Мадам Кюри может считаться одной из жертв длительного обращения с радиоактивными телами, которые открыли ее муж и она сама».

Фредерик писал, что Мари и Пьер Кюри производили в 1900 году химические реакции с радиоактивными веществами так, как будто имели дело с обычными неактивными элементами. 0,1 грамма радиевых солей, извлеченных из сент-иоахимстальской урановой смолки, — это было количество, небезопасное для работы.

Через несколько лет после смерти Мари Кюри Ирен Жолио-Кюри стала директором Лаборатории Кюри Института радия (сменив Анри Дебьерна) и профессором естественнонаучного факультета Сорбонны. В 1935 году Ирен Жолио-Кюри назначили руководителем работ Национального фонда наук, а спустя год — заместителем министра просвещения (государственным секретарем) по научно-исследовательской работе в правительстве Народного фронта.

Эжени Коттон приводит очень интересную характеристику Ирен Жолио-Кюри, относящуюся к тому времени, когда она была директором Лаборатории Кюри Института радия и одновременно заместителем министра. Несмотря на сильную занятость, Ирен оставалась доступной для всех, кто хотел ее видеть.

После 1937 года Фредерик и Ирен Жолио-Кюри оказались связанными с различными учреждениями. Ирен продолжала работать в Парижском университете (Сорбонне), а Фредерик был избран профессором Коллеж де Франс. Ученые руководили лабораториями, тематика которых была различной. Нарушилось длительное совместное сотрудничество, связавшее их имена в первое десятилетие супружеской жизни. С этих пор исследования Ирен и Фредерика развивались в различных направлениях, хотя во многом их научные интересы продолжали оставаться общими.

Фредерик Жолио-Кюри продолжал работу в области ядерной физики, а Ирен осталась верна радиохимии: ее труды посвящены вопросам, составляющим содержание новой науки — ядерной химии.

После окончания второй мировой войны в 1946 году Ирен Жолио-Кюри вошла в состав комиссариата по атомной энергии Франции, но через несколько лет покинула пост комиссара. Фредерик еще оставался верховным комиссаром по атомной энергии.

В исследованиях, выполненных Ирен Жолио-Кюри вместе с талантливым югославским физиком Павле Савичем, она была близка к открытию процесса деления ядер урана. Однако в опытах по бомбардировке нейтронным пучком урановой и ториевой мишеней возникали не новые трансурановые элементы, как предполагала Ирен, а образовывалось по два вещества с почти одинаковыми свойствами из средней части периодической системы Д.И. Менделеева. Это помешало исследователям сделать последний, решающий шаг к открытию деления урана. Позднее эта задача была решена в Берлине Отто Ганом, Лизе Мейтнер и Фрицем Штрассманом.

Ирен Жолио-Кюри как выдающийся ученый в области радиоактивности, радиохимии и ядерной физики, автор более 50 научных трудов, пользовалась широкой известностью во Франции и других странах. Многие иностранные академии, научные общества и институты избрали ее своим членом. В 1947 году Ирен Жолио-Кюри была избрана иностранным членом Академии наук СССР. Она имела дипломы члена Бельгийской королевской академии, Академии наук Индии, почетного доктора Эдинбургского университета, университета в Осло и другие.

Ирен, как и ее мать Мари Кюри, не была избрана в Парижскую академию наук. Десятилетия, отделявшие даты баллотировки в академию матери и дочери, не внесли изменений в существовавшее веками положение — высокое научное учреждение Франции еще не отказалось от традиционного предубеждения против женщин-ученых, бесспорно достойных академического звания.

Ирен два раза выставляла свою кандидатуру в академики. Она понимала, что шансов быть избранной у нее почти нет. Но ее цель заключалась главным образом в том, чтобы публично подчеркнуть право французских женщин занимать академические посты наравне с мужчинами. Это был далеко не единичный жест в пользу женского равноправия. Ирен постоянно уделяла внимание трудной борьбе за равенство французских (и не только французских) женщин с мужчинами в любых сферах трудовой и творческой деятельности, а также за улучшение их общественно-правового положения.