Štefánik promoval ako doktor filozofie v roku 1904. S odporučením svojho profesora odišiel do Meudonu pri Pa-ríži a začal pracovať v Janssenovom observatóriu, ktoré bolo v tom čase najvýznamnejším centrom astronómie. Zaoberal sa astrofyzikou a solárnou fyzikou a stal sa známy spektrálnou analýzou slnečnej koróny. V rokoch 1905 až 1906 viedol šesť astronomických výprav na Mt. Blanc, Francúzsko. Neskôr študoval slnečnú korónu v Alco-sebre (Španielsko), Turkestane, Ura Tjube (Tadžikistan) a Brazílii. V rokoch 1905 až 1912 publikoval 12 vedeckých prác a za svoju vedeckú prácu získal niekoľko ocenení francúzskej astronomickej spoločnosti. Bohužiaľ, v roku 1907 Jules Janssen zomrel, observatórium na Mt. Blancu bolo zatvorené a Štefánik prišiel o prácu. Jedným z jeho cieľov bolo vybudovať si vlastné observatórium. Zriadil dočasné observatórium na Tahiti a vylepšil existujúce v Quite (Ekvádor), pričom v oboch lokalitách vytvoril sieť pravidelných meteorologických staníc.

V roku 1912 získal Štefánik francúzske občianstvo. Keď v roku 1914 vypukla Prvá svetová vojna nastúpil do francúzskej armády a bol zaradený do leteckého výcviku. Zúčastnil sa leteckých misií v rámci 10. armády a neskôr bol preložený na srbský front ku MFS 99 Squadron. Pre vážnu chorobu bol na jeseň roku 1915 evakuovaný zo Srbska francúzskym letcom Louisom Paulhanom, čo sa považuje za prvý letecký záchranný zdravotný transport (medevac).

Nábor do československých légií v zahraničí bol organizovaný najmä z dobrovoľníkov, vojakov, väzňov a dezertérov rakúsko-uhorskej armády. Prvé jednotky boli vytvorené v Rusku (Česká družina) a vo Francúzsku (Rota nazdar). Štefánik bol vyslaný do Ruska, Rumunska a neskôr do Talianska, aby pokračoval v nábore dobrovoľníkov. Bol schopný vyjednať podpísanie dohôd s vládami Ruska a Talianska o oficiálnom uznaní československých légií. Za svoje vojenské a diplomatické úspechy bol Štefánik povýšený v roku 1917 do hodnosti brigádneho generála francúzskej armády.

V januári 1919 odišiel Štefánik z Ruska a vrátil sa do Francúzska. V novovytvorenej československej vláde bol vymenovaný za ministra vojny. Vojenské légie z Talianska boli presunuté na Slovensko, aby hliadkovali pozdĺž demarkačnej hranice s Maďarskom. Velil im generál Luigi Piccione. Francúzska armádna misia sa začala na českých územiach po januári 1919. Vedúcim misie bol generál Maurice Pellé a jeho úlohou bolo integrovať existujúce československé zahraničné légie s domácimi jednotkami armády a vytvorit profesionálnu štruktúru velenia. To viedlo k nesúhlasu medzi talianskou a francúzskou vojenskou misiou a Štefánik bol požiadaný o pomoc pri rieseni tejto citlivej záležitosti. V apríli 1919 odišiel z Paríža do Ríma rokovať s talianskym ministerstvom vojny a na hlavnú taliansku vojenskú základňu v Padove, kde dohodol s generálom Armandom Diazom rozpustenie talianskej vojenskej misie v Československu. 4. mája 1919 po návšteve svojej snúbenice, markízy Juliany Benzoni, odišiel z Campoformido (Udine, Taliansko). Letel späť domov talianskym vojenskym lietadlom, aby finalizoval ukončenie talianskej vojenskej misie. Jeho lietadlo sa snažilo pristáť pri Bratislave, ale havarovalo pri Ivanke pri Dunaji. Štefánik zahynul spolu so zvyškom svojej talianskej posádky. Bol pochovaný na vrchu Bradlo pri Brezovej pod Bradlom s vojenskými poctami. Jeho pamätník bol dokončený v roku 1928 podľa návrhu architekta Dušana Jurkoviča.