未亡人になったマリー・アンヌは、ピエール・サミュエル・デュポンやチャールズ・ブラグデン卿からの求婚を受けた。一方、1801年、マリー・アンヌの主催するサロンに、軍人であり科学者でもあるラムフォード伯(ベンジャミン・トンプソン)が初めて訪れた。ラムフォードはその後足しげくマリー・アンヌのもとに通うようになった。ラムフォードはこの時期、「ラボアジエ夫人はたいへん愉快で親切でしかも性格がよい」「今まで出会った女性ではもっとも頭がよく、知識の程度も非常に高い」などと述べている。また、ラムフォードがフランスでの研究について語ると、マリー・アンヌは「私の館にいらっしゃればよろしいのですよ。貴方は実験をなさいませ。私は記録をとりましょう」と答えたという。2人は1803年にスイスに旅行に行くなど交際を続け、1804年1月に婚約した。婚約の際、マリー・アンヌは自身について、前夫の姓をつけて「ラヴォアジエ・ド・ラムフォード夫人」と名乗ると主張した。これは異例のことであり、ラムフォードもこのことには不満であったが、最終的に契約書に明記させた。マリー・アンヌは後の1808年、「ラヴォアジエの名を絶対に捨てないことは私にとって義務でもあり、宗教とも言えることなのです」と述べている。1805年、2人は正式に結婚した。しかし結婚生活は長く続かなかった。社交好きなマリー・アンヌは自宅でパーティーを開き、主役としてふるまった。一人で自分の好きな実験に取り組みたいラムフォードにとって、妻の行動は気に入らず、あちこちで妻に対する不満を述べた。ラムフォードは手紙で、「私はあの女を雌ドラゴンだと思って接している。これでもあの女には親切すぎるネーミングだと言っていい」とつづっている。1808年にラムフォードは別居し、1809年に2人は離婚した。

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