1897年年底，瑪麗麵前有兩條科研道路可供選擇，二者都能夠使她取得學位。一條是攻讀獎學金研究生，另一條是從事回火鋼磁化的研究。而後者的目標則是博士學位。在確定爭取博士學位的研究課題時，瑪麗被新近出版的法國科學家安圖瓦納·亨利·貝克勒爾的一部著作吸引住了。作者發現，鈾鹽能夠自行發光——即在避光情況下可發射出奇異的光束。將鈾的化合物用黑紙包起來放在照相底片上，鈾能夠透過黑紙在底片上留下痕跡。這是人類第一次觀察到這一異乎尋常的奇特現象。後來，瑪麗將這種現象命名為“放射現象”。貝克勒爾的發現使瑪麗著了迷。要弄清楚使鈾化合物不斷施放出射線的能源究竟是什麼，這可是一個吸引人的研究課題。
皮埃爾任教的物理學院院長答應借給瑪麗一個底層小儲藏室，供她做實驗用。要在這樣一個狹小陰暗的地方搞科研談何容易。那裏的溫度與濕度既影響精密儀器的靈敏度，又損害瑪麗的健康。
瑪麗在從事鈾射線的研究過程中發現，另一種元素釷的化合物也會像鈾一樣自行放射光束。後來，她還多次將其他一些礦物放在盒子裏做實驗，結果發現，每個盒子裏的試驗品所具有的放射性都要比同量的鈾或釷的放射性大得多。這種反常的放射性又是從何而來的呢？看來隻能有一種解釋：這些礦物中肯定含有少量放射性比鈾和釷大得多的放射性物質。但它是一種什麼物質呢？瑪麗實驗了所有的已知元素，得出的結論是：這些礦物中肯定含有一種迄今人類所不了解的化學元素。
皮埃爾·居裏一直以極大的興趣關注著妻子迅速進展的實驗。如今，他決定放棄自己的實驗工作，以助妻子一臂之力。在潮濕的工作室裏，他們以兩個人的智慧、四隻手尋找著這種未知元素。他們將瀝青鈾礦石內所含的各種元素分解開來，再分別對每種元素的放射性進行測定。一種又一種元素被排除掉，研究的範圍不斷縮小。篩選的結果表明：有兩種新元素存在，而不是原先推測的一種。1898年7月，他們終於確定並宣布發現了這兩種元素中的一種。為紀念可愛的祖國波蘭，瑪麗將該元素命名為鈹。
1898年12月，居裏夫婦又宣布找到了瀝青鈾礦中存在第二種新元素。他們將這種元素稱之為鐳。他們相信，該元素具有巨大的放射性，然而，誰也沒有見到過鐳是什麼樣子，誰也不知道它的原子量是多少。為了證明鈹和鐳的存在，居裏夫婦又辛辛苦苦工作了四年。
他們通過奧地利政府弄到了一噸瀝青礦渣，就在他們原先做實驗用的小儲藏室附近一個被遺棄的棚屋裏幹了起來。瑪麗後來寫道，“就在這破爛不堪的棚屋裏，我們度過了一生中最美好、最愉快的歲月，把時間和精力完全奉獻給了工作。有時候，我整整一天用一根跟我一樣高的木棒攪拌著一團熔融的瀝青渣。到了晚上，累得簡直像散了架。”居裏夫婦就在這樣的條件下從1898年一直幹到1902年。在居裏夫婦宣布鐳的存在的四十五個月之後，瑪麗終於成功地提取了一分克（即十分之一克）純鐳，並測定了它的原子量，從而真正確立了鐳的存在。
居裏夫婦在科學上的成就，並沒有改善他們的物質生活和實驗條件，但他們卻獲得了國際的讚揚，1903年瑞典皇家科學院把諾貝爾物理學獎金的一半，贈給居裏夫婦。皮埃爾被任命為巴黎大學教授，瑪麗成為該校實驗室主任。1904年，他們有了第二個女兒。1906年4月19日，天下著雨，皮埃爾回家時，一麵思考問題，一麵穿過馬路，這時一輛載貨的馬車飛馳而來，皮埃爾躲閃不及被撞倒，死神無情地奪去這位科學家的生命。噩耗傳來，居裏夫人悲痛欲絕。但她牢記丈夫生前說過的話：“無論怎樣，活著的人，總得照常工作。”從此，她一人擔負起奉養公公，撫育女兒的重擔。
法國政府決定給居裏夫人一筆撫恤金，被她斷然拒絕，她說：“我不要撫恤金，我還年輕，能賺出我和我女兒們的生活費。”巴黎大學雖然不聘用女教授，但居裏夫人的學識，使她得以代替皮埃爾講課。
居裏夫人繼續她和她丈夫生前進行的放射性元素的研究工作。1908年，她出版了丈夫的遺稿《皮埃爾·居裏的著作》。19lO年她出版了自己的名著《論放射性》。為了表彰居裏夫人在她丈夫死後所取得的一係列重大科學成就，1911年再次頒發給她諾貝爾獎金。