Maria Goeppert Mayer war von 1946 bis 1960 mit Argonne verbunden. Sie ist eine von nur zwei Frauen, die den Nobelpreis für Physik erhalten haben (die andere ist Marie Curie, 1903). Maria Goeppert wurde in Deutschland geboren und besuchte die Universität Göttingen. Zunächst plante sie ein Hauptfach in Mathematik, Sie wechselte zur Physik, nachdem sie ein Seminar über das neu aufkommende Gebiet der Quantenphysik besucht hatte, unterrichtet von dem berühmten Physiker Max Born. Die Fakultät für Physik umfasste mehrere Koryphäen wie James Franck und Adolf Otto Reinhold Windaus. Als Maria 1930 ihre Doktorarbeit über Doppelphotonenreaktionen verteidigte, waren Franck, Windaus und Born im Ausschuss. (Alle vier Wissenschaftler würden einen Nobelpreis erhalten.)

Während ihrer Schulzeit lernte Maria ihren zukünftigen Ehemann, den Physikochemiker Joseph Edward Mayer, kennen, einen Amerikaner, der mit dem Physiker James Franck zusammenarbeitete. Nach der Heirat zogen sie in die USA, wo Joseph Mayer an die Fakultät der Johns Hopkins University kam.Da die Regeln der Vetternwirtschaft in den 1930er Jahren die Vergabe von Fakultätsterminen an beide Mitglieder eines Ehepaares untersagten, war Maria nicht in der Lage, eine Anstellung in ihrem Bereich zu sichern. Stattdessen setzte sie ihre eigene physikalische Forschung fort – hauptsächlich die Anwendung der Quantenmechanik auf chemische Probleme – ohne Entschädigung. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete Goeppert Mayer für das Manhattan—Projekt – zuerst an der Isotopentrennung an der Columbia University und später mit Edward Teller am Los Alamos Laboratory.Nachdem die Mayers 1946 nach Chicago gezogen waren, erhielt Maria einen Fakultätstermin und teilte ihre Zeit zwischen dem Institute for Nuclear Studies der University of Chicago und dem neu eröffneten Argonne National Laboratory als leitende Physikerin in der Abteilung für Theoretische Physik auf.

In dieser Zeit entwickelte sie ein mathematisches Modell für die Struktur von Kernschalen, für das sie 1963 den Nobelpreis für Physik erhielt, gemeinsam mit J. Hans D. Jensen und Eugene Paul Wigner. Goeppert Mayers Modell erklärte, „warum bestimmte Nukleonenzahlen im Kern eines Atoms dazu führen, dass ein Atom extrem stabil ist“ — ein Phänomen, das Wissenschaftler seit einiger Zeit verblüfft hatte. Diese Zahlen, die als „magische Zahlen“ bezeichnet werden, repräsentieren die Protonen und Neutronen, die in Schalen im Kern eines Atoms angeordnet sind.Goeppert Mayer setzte sich mit ihrer Forschung auseinander und hatte die Gelegenheit, ein Problem mit dem Physiker Enrico Fermi zu diskutieren, der fragte, ob es Hinweise auf eine Spin-Bahn-Kopplung gebe. Seine Frage soll Goeppert Mayer verblüfft haben, der sich später erinnerte: „Als er es sagte, passte alles zusammen. In 10 Minuten wusste ich … ich beendete meine Berechnungen in dieser Nacht. Fermi brachte es seiner Klasse in der nächsten Woche bei.“ Goeppert Mayers Theorie von 1948 erklärte, warum einige Kerne stabiler waren als andere und warum einige Elemente reich an Isotopen waren.Maria Goeppert Mayer starb 1972. Heute, in ihrem Andenken, vergibt Argonne das jährliche Maria Goeppert Mayer Fellowship international an herausragende Doktoranden und Ingenieure, die sich in einem frühen Stadium vielversprechender Karrieren befinden.