В 1896 году с отличием сдает выпускные экзамены, защищает диссертацию по психиатрии и становится первой в Италии женщиной-доктором медицины. На защите диплома по счастливой случайности отец Марии в это время находится в университете и замечает, как все слушатели аплодируют. Увидев признание преподавателей и публики, Алессандро Монтессори простил Марию и они, наконец, помирились.
Мария получила место ассистента в клинике Сан-Джованни и занялась частной врачебной практикой. Она была прекрасным лектором, её статьи стали печатать в европейских журналах. В клинике ей не раз приходилось наблюдать лечение детей с ограниченными умственными возможностями. Для развития таких детей не предпринималось никаких шагов, у них не было даже игрушек и книг. Работа с больными детьми и сопутствующее ей изучение детской психологии привели Марию к мысли о том, что развитие и воспитание больных детей являются, скорее, не медицинской проблемой, сколько педагогической, а, следовательно, работать с такими детьми нужно в школе, а не в медицинских учреждениях.
В 1897-1898 годах Монтессори посещает лекции по педагогике и изучает все основные работы по терапии восприятия и образования. Она заинтересовалась работами французских психологов Жана-Поля Гаспара Итара и Эдуарда Сегена. Она сама переводит их работы, они вдохновляют ее, и именно из этих книг она узнает, что, если проводить занятия по особой педагогической методике, то из 100 умственно отсталых детей двадцать пять становятся нормальными людьми.
После того, как ученики Монтессори сдают экзамены лучше нормальных детей из начальной школы, правительство решает создать Ортофренический институт для подготовки учителей для работы с душевно неполноценными детьми. С 1898 по 1900 гг. Мария становится его руководителем. При институте открывается маленькая экспериментальная школа, где начинают работать по дидактическим материалам Монтессори. Ученики превосходят все ожидания.
Свою педагогическую систему в Ортофенической школе Монтессори строила опираясь на труды исследователя, врача, психолога Э. Сегена. Сеген предположил, что дети с особенностями в развитии отличаются от «нормальных» только тем, что лишены естественной инициативности, которая может быть им возвращена с помощью специального стимульного материала. Эту идею и стимульные материалы Монтессори положила в основу работы с детьми с отклонениями. Она впервые попробовала создать для детей с ограниченными возможностями специальную развивающую среду. Результаты были ошеломляющие: через два года считающиеся безнадежными дети не только научились читать и писать, но и выиграли школьную олимпиаду в Риме, где участвовали и так называемые «нормальные» дети.