Il padre non denunciò subito lo stupro ma dopo nove mesi perché il Tassi non vi pose rimedio sposando Artemisia. Il pittore era già sposato (e nel frattempo manteneva anche una relazione incestuosa con la sorella della moglie). Del processo che ne seguì è rimasta esauriente testimonianza documentale, che colpisce per la crudezza del resoconto di Artemisia e per i metodi inquisitori del tribunale. Gli atti del processo (conclusosi con una lieve condanna del Tassi) hanno avuto grande influenza sulla lettura in chiave femminista, data nella seconda metà del XX secolo, alla figura di Artemisia Gentileschi. È da sottolineare il fatto che Artemisia accettò di deporre le accuse sotto tortura, che consistette nello schiacciamento dei pollici attraverso uno strumento usato ampiamente all'epoca.

La tela, che raffigura Giuditta che decapita Oloferne (1612-13), conservata al Museo Capodimonte di Napoli (una delle 6 in mostra), impressionante per la violenza della scena che raffigura, è stata interpretata in chiave psicologica e psicoanalitica, come desiderio di rivalsa rispetto alla violenza subita.
Dopo la conclusione del processo, Orazio combinò per Artemisia un matrimonio con Pierantonio Stiattesi, modesto artista fiorentino, che servì a restituire ad Artemisia, violentata, ingannata e denigrata dal Tassi, uno status di sufficiente "onorabilità". La cerimonia si tenne il 29 novembre 1612.

Poco dopo la coppia si trasferì a Firenze, dove ebbe quattro figli, di cui la sola figlia Prudenzia visse sufficientemente a lungo da seguire la madre nel ritorno a Roma poi a Napoli.

A Firenze Artemisia conobbe un lusinghiero successo. Nel 1616 venne accettata nell'Accademia delle Arti del Disegno, prima donna a godere di tale privilegio. Artemisia fu in buoni rapporti con Galileo Galilei (giunto a Firenze nel settembre 1610 su invito di Cosimo II, con il quale rimase in contatto epistolare anche in seguito al suo periodo fiorentino. capita spesso, nelle tele di Artemisia, che le sembianze delle formose ed energiche eroine che vi compaiono abbiano fattezze del volto che ritroviamo nei suoi ritratti o autoritratti: spesso chi commissionava le sue tele doveva desiderare di avere una immagine che ricordasse visivamente l'autrice, la cui fama andava crescendo. Il successo, unito al fascino che emanava dalla sua figura, alimentarono, per tutta la sua vita, motteggi e illazioni sulla sua vita privata. Lunga relazione con Francesco Maria Maringhi, 5 lettere autografate esposte in mostra.

Appartengono al periodo fiorentino la Conversione della Maddalena e la Giuditta con la sua ancella di Palazzo Pitti e una seconda (dopo quella di Napoli dipinta 8 anni prima) versione della Giuditta che decapita Oloferne agli Uffizi. Nonostante il successo, a causa di spese eccessive, sue e di suo marito, il periodo fiorentino fu tormentato da problemi con i creditori. Si può ragionevolmente collegare al desiderio di sfuggire all'assillo dei debiti e alla non facile convivenza con lo Stiattesi, il suo ritorno a Roma che si realizzò in maniera definitiva nel 1621.

Artemisia dimostrò di avere la giusta sensibilità per cogliere le novità artistiche e la giusta determinazione per vivere da protagonista questa straordinaria stagione artistica di Roma, meta obbligata di artisti di tutta Europa. Artemisia entrò a far parte dell'Accademia dei Desiosi. Fu, in tale circostanza celebrata, con un ritratto inciso che, nella dedica, la qualifica come "Pincturae miraculum invidendum facilius quam imitandum".

Nel 1630 Artemisia si recò a Napoli, valutando che vi potessero essere, in quella città fiorente di cantieri e di appassionati di belle arti, nuove e più ricche possibilità di lavoro.. A Napoli, per la prima volta, Artemisia si trovò a dipingere tele per una cattedrale, quelle dedicate alla Vita di San Gennaro a Pozzuoli.

Il resto della sua vita è segnato da continui spostamenti, dovuti alla fama crescente: dopo Napoli, Londra: tutte le corti europee ambiscono ad incontrare la bellissima artista che ormai non viene considerata a livello inferiore di un uomo. Da Londra rientrò a Napoli. Tra le opere più significative dell'ultimo periodo è la Nascita di s. Giovanni Battista (museo del Prado). Notevole fu la sua importanza nello sviluppo della scuola napoletana, soprattutto per la formazione di M. Stanzioni e di B. Cavallino. Morì a Napoli probabilmente durante la peste nel 1653/54.