Portrét Mary Anningové, Britské muzeum.
Příčinou tohoto spojení byl jeden z prvních Anningových objevů, kostra ichtyosaura, v roce 1811, několik měsíců po smrti jejího otce. Její bratr objevil lebku něčeho, co vypadalo jako velký krokodýl, o rok dříve. Zbytek kostry nebyl nejprve k nalezení, ale Mary ho našla poté, co bouře odklidila část útesu, který ji obsahoval. Byla to první kompletní kostra ichtyosaura, která byla kdy objevena, i když ne vůbec první fosilie ichtyosaura, jak byl rod popsán v roce 1699 z úlomků objevených ve Walesu. Nicméně to byl důležitý nález a brzy byl popsán v Transakcích Královské společnosti. Anningové bylo v době jejího objevu 12 let. Pokračovala v hledání dalších dvou odlišných druhů Ichthyosaura.
Jak její pověst rostla, upoutal Anning pozornost Thomase Birche, bohatého sběratele fosilií. Znepokojen chudobou Mary a její rodiny zařídil prodej své vlastní sbírky fosilií, jejíž výtěžek (asi 400 liber) byl věnován Anningovým. Na jistý (i když poněkud strohý) finanční základ se Mary dostala poprvé za deset let a pokračovala ve sbírání fosilií i poté, co její bratr získal zaměstnání jako čalouník.
Její další významný objev byl skutečný první, vůbec první kostra plesiosaura v roce 1821. Fosilie, kterou našla, byla následně popsána Williamem Conybearem jako Plesiosaurus dolichodeirus a je typovým exemplářem (holotypem) druhu, který sám je typovým druhem rodu. Našla „bezkonkurenční exemplář“ Dapedium politum, rybu s rejnokovitými ploutvemi, jak bylo popsáno v roce 1828. Objevila důležitou fosilii pterosaura, Pterodactylus macronyx (později přejmenovaného Richardem Owenem Dimorphodonem macronyxem), první nalezenou mimo Německo a považovanou za první kompletní kostru.
To byly tři nálezy, které ji zapsaly do historie, ale ve sběratelství pokračovala až do konce života a věnovala se četným dalším příspěvkům do rané paleontologie. Ve svých pozdních třicátých letech dostala od Britské asociace pro vědecký pokrok na oplátku za své úsilí rentu.