W latach 1963–1964 kierowała Katedrą Geometrii na wydziale matematyki i fizyki Uniwersytetu Warszawskiego w zastępstwie Karola Borsuka, zaś w 1967 roku została jej profesorem nadzwyczajnym. W 1968 roku powstał Zespół Podstaw Geometrii (przemianowany później na Zakład Matematyki Elementarnej i Podstaw Geometrii), którym Szmielew kierowała do śmierci. W 1972 roku gościła na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie.
W latach 1970–1974 pracowała nad podstawami geometrii euklidesowej w oparciu o system aksjomatyki Szmielew-Tarskiego, będącej ulepszoną wersją aksjomatyki Tarskiego.
Zmarła na raka 27 sierpnia 1976 roku w Warszawie, pochowana na cmentarzu parafialnym w Kołbieli.
Dorobek naukowy Wanda Szmielew w swoim dorobku ma ok. 30 prac z podstaw matematyki, podstaw algebry, z podstaw geometrii i teorii mnogości. Rozgłos uzyskała przede wszystkim swoją pracą doktorską, w której udowodniła, że teoria pierwszego rzędu grup abelowych, w przeciwieństwie do nieabelowych, jest rozstrzygalna. Szmielew znalazła algebraiczny odpowiednik aksjomatu Pascha, dzięki czemu powstała geometria bez-Paschowa. Opracowana przez nią aksjomatyka Szmielew-Tarskiego pozwoliła mówić o geometrii językiem algebry ogólnej, co przyczyniło się do rozwiązania wielu problemów geometrii euklidesowej.