El 21 de diciembre de 1898, Marie y Pierre Curie descubrieron un nuevo elemento, el radio, un hito en la historia de la química y la física. Poco tiempo antes, el matrimonio de físicos ya había descubierto el polonio, que debe su nombre al país natal de Marie, Polonia. Los Curie asentaron así las bases de la física nuclear moderna con sus estudios sobre radioactividad, un término que Marie utilizó para descubrir los rayos emitidos por el uranio.
Fue precisamente ella quien, utilizando las técnicas piezoeléctricas inventadas por su marido, midió las radiaciones en la pechblenda, un mineral que contiene uranio. Cuando observó que estas eran más intensas que las del elemento, se dio cuenta de que tenía que haber otros materiales desconocidos, también radiactivos.
En 1903, los Curie recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre los "fenómenos de radiación", compartiéndolo con el científico francés y colega de ambos Henri Becquerel, que había descubierto la radiactividad espontánea en 1896. Así, Marie Curie se convirtió en la primera mujer en recibir un Premio Nobel.
Desgraciadamente, Pierre no pudo disfrutar mucho tiempo del galardón, pues murió tres años después en un accidente en París.
Marie continuó con su trabajo, asumiendo el puesto de su marido como profesor de física en la Facultad de Ciencias. En 1914, la científica dirigía el Laboratorio Curie en el Instituto del Radio de la Universidad de París.
Marie Curie recibió un segundo Premio Nobel en 1911, esta vez en química. Pasó el resto de su vida enfrascada en la investigación, centrada especialmente en el estudio de las propiedades terapeúticas del radio. En 1929, cinco años antes de su muerte, Curie fundó un laboratorio de radiación en Varsovia, su ciudad natal.