Marie Curie es traslladà el 1891 a París, on seguí estudis de física i matemàtiques. El 1895 va contraure matrimoni amb Pierre Curie, i a partir d'aleshores compartiren les investigacions, que donaren com a resultat descobriments fonamentals en el camp de la radioactivitat. Antoine Henri Becquerel havia descobert un nou fenomen: l'emissió espontània de radiacions similars als raigs X per part de l'urani, i aquets treballs serviren de base a la tesi doctoral de Marie Curie, la qual cercà si cap més matèria presentava aquest comportament; el resultat fou el descobriment de la radioactivitat del tori (1897). gairebé al mateix temps que ho feia el físic alemany Gerhard Schmidt. Poc temps més tard, els Curie, amb la col·laboració del químic André-Louis Debierne, deixeble de P. Curie, aconseguiren d'aïllar dos nous elements, el radi pur en estat metàl·lic i el poloni. 
En morir d'accident Pierre Curie el 1906, Marie ocupa la seva càtedra de la Sorbona --fou la primera dona que accdeí a ub¡na càtedra francesa-- i continuà les investigacions que fins aquell moment havien dut a terme conjuntament.
El 1914 fundà l'Institut du Radium de París, centre d'investigacions que dirigí fins a la seva mort. La contribució de M. Curie a la física moderna ha estat enorme, no solament pels seus treballs, sinó també per influència damunt successives generacions de químics i físics nucleras , en deixar oberts camins que portaren a descobrir tals com el de la radioactivitat artificial i el del neutró. 
El 1903 compartí el premi Noble de fisica amb el seu marit i H. Becquerel pel descobriment de la radioactivitat, i el 1911 obtingué el premi Nobel de química per l'aíllament del radi pur.