В этот период брак Ковалевских, когда-то фиктивный, перерос в настоящий: супругов давно уже тянуло друг к другу, но они, одержимые понятиями чести и долга, все боялись признаться – в первую очередь себе – что их связывает гораздо большее, чем простые формальности. Счастливый тем, что у них наконец настоящая семья, Владимир Ковалевский, по воспоминаниям друзей, трогательно заботился о Софье – покупал ей туалеты, закармливал конфетами, возил в театр, которым Софья увлеклась настолько, что даже писала для газеты «Новое время» рецензии на спектакли. В 1878 году у Ковалевских родилась дочь, названная в честь матери Софьей – в семье ее звали Фуфа. На несколько лет Ковалевская совершенно забросила математику, с головой уйдя в новую для нее семейную жизнь: она стала по-настоящему сумасшедшей матерью, пытаясь воспитывать малышку по самым передовым методикам. Весь их просторный дом казался ей тесным для ее дочери, а мир – слишком несовершенным.
В 1879 году стало ясно, что финансовые дела Ковалевских расстроены: партнер Владимира ложно обвинил его в финансовых махинациях, долги выросли до огромных сумм. Не желая огорчать жену, он ничего не говорил ей о наступивших трудностях – а Софья, чувствуя неладное, не смогла понять мужа и обиделась на то, что тот неискренен с нею. После банкротства Ковалевские уехали в Москву; расстроенная Софья, переживавшая очередную депрессию, обвиняла себя в том, что ради мужа совсем забросила математику, бесцельно потратив несколько лет жизни. «Моя дочь – это единственное хорошее, что принесли мне эти годы», – говорила она.
В Москве Ковалевский наконец смог получить место доцента Московского университета; однако, по словам его друзей, в то время с ним начали происходить определенные перемены, позже вылившиеся в душевную болезнь: он стал подозрителен, скрытен, неуживчив – а Софья была уверена, что все это от того, что он разлюбил ее. Как раз в это время у нее появилась надежда на работу в Швеции: ее старый знакомый математик Густав Миттаг-Леффлер, тоже ученик Вейерштрасса, всеми силами добивался для нее места в недавно образованном Стокгольмском университете. Оставив мужа, Ковалевская с дочерью уехала в Берлин. Миттаг-Леффлер, ставший одним из ее ближайших друзей, так вспоминал о Софье Васильевне: «Она красива, и, когда говорит, её лицо озаряется выражением женственной доброты и высокой интеллектуальности, которые не могут не вызвать восхищения. Её манеры просты и естественны, без какого-либо педантизма или аффектированной учёности. Как учёная она отличается редкой ясностью и точностью выражений и исключительно быстрой сообразительностью. Не трудно убедиться в глубине, какой она достигла в своих занятиях, и я вполне понимаю, что Вейерштрасс считает её лучшей из своих учеников».
Софья Ковалевская 1895 г.
Ковалевская жила то в Берлине, то в Париже, усиленно занимаясь математикой – единственным, что могло вывести ее из любой депрессии. «Стоит только коснуться мне математики, – говорила она, – я опять забуду все на свете». Как она считала, за время ее отсутствия наука ушла далеко вперед и ей необходимо наверстать упущенное. Однако на самом деле никакого отставания не было – ее работы по-прежнему были актуальны. За них ее даже избрали членом Парижского математического общества, но когда она готовилась произнести там свой первый доклад, ей сообщили, что Владимир Ковалевский покончил с собой.
Его тело нашли утром 16 апреля 1883 года в номере гостиницы: он умер, надышавшись хлороформом. В неотправленном письме к брату он просил: «Напиши Софье, что моя всегдашняя мысль была о ней и о том, как я много виноват перед нею и как я испортил ей жизнь»… Причинами его самоубийства называют то обострившуюся душевную болезнь, то вконец запутавшиеся финансовые дела – скорее всего, сыграли свою роль оба фактора. Вспоминают, что когда Софья узнала о гибели мужа, она четыре дня не могла есть, а на пятый упала в обморок. Лишь через два месяца она достаточно оправилась для того, чтобы вернуться в Берлин. Она поселилась в доме Вейерштрасса, который трогательно заботился о ней, пытаясь развлечь и утешить свою любимую ученицу.