Dopo il divorzio con Freund, alla fine del 1936, Filomena Nitti ritornò a Parigi e cominciò a lavorare per diverse farmacie parigine come analista chimica. Poi nel 1938 cominciò a lavorare all'Istituto Pasteur, nel Laboratorio di chimica terapeutica diretto da un dei padri della chemioterapia, Ernest Fourneau, dove lavoravano già anche suo fratello Federico Nitti e il biochimico e futuro premio Nobel Daniel Bovet.