1918年、第一次大戦が終わると、イレーヌはマリーの研究所に、マリーの助手として入った。イレーヌはそこではじめに、鉱物中の塩素の原子量を求める実験に取り組んだ。イレーヌは研究所の中でも数学や物理の知識については目立ったものがあり、その落ち着き払った性格や、つねに所長であるマリーのそばにいて優遇されていたこともあって、同僚からは王女と呼ばれたりもした。当時、研究所には放射性物質であるラジウムが1グラムしかなく、マリーはその不足に頭を抱えていた。しかしアメリカの人々による募金によって、ラジウムが無償提供されることになり、1921年、マリーはイレーヌとエーヴを連れて渡米した。そしてアメリカでマリーは大歓迎を受けたが、連日の歓迎行事にマリーは疲れ、体調が悪化してしまった。そのためイレーヌやエーヴがたびたび代理で出席してあいさつなどをした。イレーヌはこのアメリカ旅行で、ニューヨークの光景やグランド・キャニオンなどを見て感銘を受けた。帰国後、イレーヌはマリーとともに研究を続けながら学位取得のための準備をして、1925年3月に試験を受けて学位を得た。このとき発表した内容はポロニウムのアルファ線についての研究で、会場となったソルボンヌ大学の講堂には1,000人もの聴衆が訪れた。有名なマリー・キュリーの娘であるイレーヌの学位取得は大きな話題となり、フランスのメディアのほか、アメリカのニューヨーク・タイムズなどでも報じられた。このとき、科学の道を進むことは女性にとって負担にならないかと記者に問われ、それに対して、自分は科学への適性について男女に差は無いと思っている、と答えている。取材が相次いだため、マリーはイレーヌを連れて一時アルジェリアへと旅行に出かけた。
1914年夏、ヨーロッパの情勢が悪化してくると、マリーはイレーヌとエーヴをブルターニュ北部のラルクウェストへと送った。その後まもなく第一次世界大戦が開戦した。イレーヌはパリに残った母親と手紙でやり取りしていたが、数週間後、パリへの侵攻がなさそうだいうことが分かると、マリーは娘たちにパリに戻る許可を与えた。大戦中、マリーは負傷者を治療するため、放射線治療車を用意して各地を回っていた。イレーヌもパリに戻ると放射線治療の方法を学び、1914年11月からマリーの助手として治療にあたった。このとき、イレーヌは17歳だった。人材不足だったこともあって、イレーヌはやがて1人でX線検査の仕事を任されるようになった。また、イレーヌはマリーとともに、X線撮影技師を養成するための任務にもついた。さらにこれらの仕事の合間をぬって、学士号取得の準備をした。
ストーンはコロンビア映画とマーベル・エンターテインメントが映画『スパイダーマン』シリーズをリブートした『アメイジング・スパイダーマン』でアンドリュー・ガーフィールドの相手役を務めた。彼女が演じるグウェン・ステイシーはガーフィールドが演じる主人公のピーター・パーカーの恋人となる17歳の少女である。監督はマーク・ウェブであり、2010年夏から2011年4月にかけて撮影され、2012年7月3日に公開された。ストーンはまた『21ジャンプストリート』のリブート版で、『スーパーバッド 童貞ウォーズ』でも共演したジョナ・ヒルの相手役に考慮されていたが、『アメイジング・スパイダーマン』の契約を済ませた後、立ち消えとなった。ドリームワークス・アニメーション製作のコンピュータアニメーション映画『クルードさんちのはじめての冒険』でライアン・レイノルズのキャラクターの恋人の声を務め、2013年3月22日に公開された。グリフィン・ダンが監督した短編コメディ映画『Veronica』ではキーラン・カルキンと共演した。この短編はファレリー兄弟がプロデュースしたアンソロジー映画『ムービー43』に収録された。『ムービー43』の他の収録作品にはケイト・ウィンスレット、ジェラルド・バトラー、ヒュー・ジャックマン、ユマ・サーマン、ハル・ベリーらが出演している。『ゾンビランド』（2009年）の監督であるルーベン・フライシャーとは2013年公開の『L.A. ギャング ストーリー』で再びコラボレーションした。これはライアン・ゴズリングとも2度目の共演でもあり、他にショーン・ペン、ジョシュ・ブローリン、アンソニー・マッキー、ジョヴァンニ・リビシ、マイケル・ペーニャらが出演している。ストーンが演じるグレース・ファラデイは、ゴズリング演じるジェリー・ウーターズ巡査部長とペン演じるミッキー・コーエンの間で揺れるという役柄である。ウィル・グラック監督のタイトル未定のコメディ映画で3度目のコラボレーションを行う予定であり、その際は出演の他に製作総指揮も務める予定である。スクリーン・ジェムズ側は『小悪魔はなぜモテる?!』の成功を受けて、この新プロジェクトの裁量権をストーンとグラックに与えている。2012年1月にドラッグディーラーを扱ったコメディ『Little White Corvette』への契約を交わした。撮影は2012年半ばにマイアミで始まった。2012年半ば、コンピュータゲーム作品『スリーピングドッグス 香港秘密警察』へ声の出演を果たした。さらに同年、キャメロン・クロウ監督、レイチェル・マクアダムスとブラッドリー・クーパー共演の『Deep Tiki』とも契約した。『アメイジング・スパイダーマン』から引き続いてグウェン・ステイシー役を務める『アメイジング・スパイダーマン2』は2014年4月に公開された。アレハンドロ・ゴンサレス・イニャリトゥ監督、マイケル・キートン、ザック・ガリフィアナキス、ナオミ・ワッツら共演によるアンサンブル・コメディ『バードマン あるいは（無知がもたらす予期せぬ奇跡）』の撮影は2012年4月からニューヨークで始まった。ギレルモ・デル・トロのホラー映画『クリムゾン・ピーク』からは2013年に降板し、ミア・ワシコウスカと替わった。2013年5月、ウディ・アレン監督、コリン・ファース出演の新作コメディ映画のキャストに加わったことが発表された。2014年公開の『バードマン あるいは（無知がもたらす予期せぬ奇跡）』で第72回ゴールデングローブ賞や第87回アカデミー賞助演女優賞などにノミネートされる。2016年公開のデミアン・チャゼル監督作『ラ・ラ・ランド』では、第73回ヴェネツィア国際映画祭女優賞での受賞を皮切りに、ゴールデングローブ賞主演女優賞（ミュージカル・コメディ部門）、アカデミー主演女優賞に輝いた。2018年公開の映画『女王陛下のお気に入り』では、レイチェル・ワイズと共にアカデミー助演女優賞にWノミネートされた。