居裏夫人閱讀了法國的科學家亨利·貝克勒耳的最新實驗報告，報告中提到了他對X射線的研究。
X射線是1895年德國的物理學家威廉·倫琴發現的，因為其具有極強的穿透力，所以很快就被應用於醫學。貝克勒耳對X射線進行了進一步研究，在經過多次實驗後，貝克勒耳終於得出結論：這種新射線是從鈾原子本身發出，不受外界條件的影響。
曆史將解開射線之謎的鑰匙交給了居裏夫人，從1898年2月6日起，在理化學校的一間冰冷潮濕的小儲物室裏，居裏夫人開始了她對射線之謎的探索。
首先，她想要測量出貝克勒耳射線--鈾發出的射線強度有多大。她收集到所有她能收集到的金屬和礦物的樣品，並一一對它們進行了測試。
很快，她的第一個結論出來了，含鈾物質的射線強度僅僅取決於樣品中鈾的含量。居裏夫人感到這是一個非常不同尋常的現象，它同任何東西都不相像，也不受任何東西影響，但它的確存在。
當時已知的化學元素共有83種。居裏夫人設想，除了鈾之外，其他的82種元素是否也會發出類似鈾發出的射線呢？於是她把所有的化學元素都進行了測試，結果發現一種名為釷的元素也發出了類似的射線。並且，從驗電計測量的結果來看，它們的強度是一樣的。
居裏夫人為這些射線命名為“放射性”。
放射學的誕生
居裏夫人決心弄明白發出射線的物質,她又收集了各種天然材料的樣品，有礦物、礦石、沙子等，並對它們進行一一測試,她把更多的注意力集中在了含有鈾或釷的樣品上。
居裏夫人測量了一種叫做瀝青鈾礦的樣品，結果完全出乎意料。這種礦物的放射性比她以前測試的含鈾量相同的化學藥品大4倍。反反複複，她把實驗重複了20多次，每一次的結果都是一樣的。
因為實驗的結果隻有一種解釋，在瀝青鈾礦裏肯定還存在某種比鈾和釷的放射性更強的物質。
居裏夫人設想這些礦物中一定含有一種新的、完全不為人所知的放射性元素。但別的科學家根本不相信居裏夫人的假設，他們認為一定是居裏夫人在實驗過程中出了錯。
1898年夏天，比埃爾決定把自己關於晶體的研究擱在一邊，和妻子一起開始研究。
居裏夫婦用分離瀝青鈾礦的方法來尋找新元素，結果發現含已知元素鉍和鋇部分的放射性特別強。7月，他們從含鉍的部分中確認了一種新的元素。為紀念居裏夫人的祖國波蘭，這種新的放射性元素被命名為“釙”。這年12月，居裏夫婦又從含鋇的部分中確認了另外一種新的元素，他們把它命名為“鐳”，拉丁文裏為“放射”的意思，它是當時所發現的放射性最強的元素。
居裏夫婦決定先從提純鐳開始，因為將鐳從鋇中提純出來要比把釙從鉍中提純出來容易得多，而且鐳的放射性比釙要強。
他們以較低的價格獲得了奧地利一家工廠所提供的幾噸瀝青鈾礦廢渣。一所理化學校後院一個遺棄的棚屋成為他們新的研究場地。有一位德國化學家曾評價說“看起來那似乎更像是馬廄或馬鈴薯貯藏室”。的確，這裏的條件比小儲藏室更差。棚屋的玻璃頂不能完全擋雨，夏天熱得悶人，冬天異常寒冷。因為沒有更多的錢，他們隻能添置一些普通的化學儀器，不過是些爐子、汽燈和舊鬆木桌子，以及比埃爾的驗電計。這裏唯一的好處是可以把瀝青礦渣堆在屋前的空地上。
他們要做的大量工作是分離和分析。居裏夫人從事物質的分離，而比埃爾專門進行每一次分離過後的測量。但這種工作是一種極為累人的體力活，居裏夫人一次要處理20千克的原料，在她分離之前要先清除鬆針及其他的雜質，然後把它磨碎並與碳酸鈉進行反應。這樣它就分離成固體和液體兩個部分，倒掉液體，再把留下的固體溶於酸中。為了剔除那些已知的元素，要把各種不同作用的化學藥品放入溶液進行反應。
居裏夫人有時甚至不得不花費一整天時間，用一根沉重的、幾乎和她身高一樣長的鐵棒攪動鍋內沸騰的物質。往往一天下來，她幾乎都累垮了。天氣如果好一點，居裏夫人就在院子中進行工作，而一旦下起雨來，她隻好在室內進行。這樣，所產生的有毒的煙霧就不能很好地排放出去。即使是打開室內所有的窗戶，他們呼吸的仍然是帶有強烈刺激性氣味的氣體。
就這樣，居裏夫婦在日複一日、年複一年的實驗研究中度過了4年。1902年的冬天，他們終於提煉出0.1克鐳，鐳的提煉，預示著放射學的誕生。
麵對新的問題，居裏夫人設想組成物質的原子內部有更細小的活動著的微粒。
當時的科學家認為，物質構成的秘密就是所有的元素都是他們稱之為原子的物質構成的。原子是最小的組成單位。
雖然，居裏夫人對她的這個設想沒能親自再做研究，但一些科學家們還是從她的這個設想中得到了直接的啟示。居裏夫人的鐳和她關於放射性來源的設想成了打開原子結構這扇大門的鑰匙。她的發現大大縮短了人類通往核時代的進程。
這期間的1900年，鐳的另一個重要用途被比埃爾和貝克勒耳發現。
既然鐳能夠破壞正常的人體細胞，那麼它對於病變細胞也會產生作用。隨著後來幾年醫生們做的一些試驗，比埃爾的想法被證實了。醫生們用裝有鐳放射物的試管對癌症患者進行治療，獲得了成功。這種治療癌症的新技術被命名為“居裏療法”。
兩次獲諾貝爾獎
1903年6月25日，在經曆了5年艱辛的探索之後，居裏夫人終於獲得了博士學位，成為歐洲第一位女博士。與此同時，居裏夫人還獲得英國皇家協會頒發的戴維獎章。
就在這一年，居裏夫婦與貝克勒耳一起分享了諾貝爾物理學獎。但是，他們沒有親自去瑞典領獎，因為實驗大大折損了居裏夫人的健康，頒獎時，她的身體還沒有完全恢複。
在提純鐳的過程中，放置在鐳周圍的任何物質本身都會變得具有放射性，正如前所說，鐳的放射性可以殺死癌變的細胞，當然，它也可以殺死正常的細胞，居裏夫婦在毫無防護措施的情況下工作了整整4年。居裏夫人的體重下降了10千克，而比埃爾一直被風濕病所困擾，他的關節疼痛，手指顫抖，甚至握不牢小小的試管。他們常常感覺到疲憊不堪、精神不振。具有巨大放射能量的鐳已開始要求它的發現者付出生命的代價了。1905年6月，居裏夫婦到達斯德哥爾摩，比埃爾作了獲獎致辭。
一時間，居裏夫婦成了公眾讚譽、記者追逐的焦點人物，他們的價值在法國受到重視。1904年，巴黎大學聘比埃爾為物理學教授，居裏夫人成了巴黎大學為比埃爾專門設立的實驗室主任。
就在這一年，居裏夫婦又迎來了他們的第二個女兒伊芙。伊芙可愛活潑使居裏夫婦在緊張的工作之餘得以放鬆和愉悅。
1906年4月19日，這一天是居裏夫人一生中最為錐心刺骨的時刻。就在這一天，比埃爾·居裏因一場車禍永遠地離開了妻子和兩個不到10歲的孩子。
僅僅是在轉瞬之間，比埃爾就死了，居裏夫人失去了一個與她誌同道合的朋友和伴侶，但她拒絕了給予她的撫恤金，她認為自己還是一個可以工作的人，她還要將她與比埃爾未竟的科學事業進行下去。比埃爾曾對她說過：“即使我不在了，你也應當繼續工作。”
4月21日，為比埃爾舉行了葬禮，居裏夫人堅持將丈夫葬在了他們家族的墓地裏，並且在他的墓穴旁邊為自己留下了一個位置。
比埃爾走了，居裏夫人繼任了他在巴黎大學的教授一職。在獨創了那麼多的第一之後，居裏夫人又成為了第一位站在這所歐洲聞名的學府--巴黎大學講台上的女性。大街小巷，人們都在熱切地談論著這件新鮮事，共同期待著居裏夫人的第一次授課。
1906年11月5日下午1時30分，瑪麗·居裏準時走上了講台，蜂擁的人群擠滿了那間教室，堵塞了理學院的走廊，有的甚至站在操場上。在這些人中，除了學生，還有許多知名人士和普通人，人們都靜默著等待居裏夫人說第一句話。
居裏夫人沉著地麵對聽眾，冷靜地開始了她的第一堂課：“在觀察近10年來物理學上的進步的時候，人們對於我們在電氣和物質方麵的思想進展表示驚異……”
居裏夫人的講座正是從比埃爾最後一次講座結束的地方開始的。這是一位多麼堅強而又偉大的女性啊！很多聽眾感動得熱淚盈眶，那句看似冷冰冰的話語裏隱藏了怎樣深切的哀痛！
居裏夫人的聲音保持著一種持續的平靜與清晰，在這個神聖的講台上，她是一位真正的教授。
在忙碌的工作之餘，居裏夫人還把大部分精力放在教育子女上。居裏夫人與瓊·佩蘭、保羅·郎之萬等幾位同事共同組織了一個學習班，每個人負責給孩子們教一定的科目。
結果證明了這種授課方法是非常有效的。這個小團體變成了培育偏重於科學方麵的精英人物的學校，大部分孩子後來都在科學領域作出了重要貢獻。這一階段的學習，使居裏夫人的大女兒伊倫娜為以後的科學研究奠定了良好的基礎。
1910年，居裏夫人與她的助手德比爾納合作，經過艱辛而巨大的勞作，終於分離出了純金屬鐳。1911年，居裏夫人因此獲得諾貝爾化學獎，成了第一位兩次獲此殊榮的人。
1912年，在巴黎大學和巴斯德（滅菌）研究中心的支持下，在比埃爾·居裏路上建造了一所專門從事放射學和居裏療法的鐳研究院。
在戰亂中奔波
1914年，就在鐳研究院竣工之時，第一次世界大戰爆發了。德軍一天天向巴黎逼近。法國政府遷往波爾多，接著巴黎市民也開始向鄉下遷移。政府為了安全起見，要求居裏夫人帶上實驗室裏的鐳到波爾多去。在緊張嚴峻的戰事中，沉著的居裏夫人帶了1克重的鐳來到波爾多，把鐳放置到一個安全之地後，她又返回巴黎。