Saat mengalihkan perhatiannya ke mineral, dia menemukan ketertarikan pada biji-biji uranium, suatu mineral yang aktivitasnya lebih unggul dibanding uranium murni yang hanya dapat dijelaskan dengan adanya sejumlah kecil zat tak diketahui yang aktivitasnya sangat tinggi.
Pierre Curie kemudian bergabung dengan Marie menyelesaikan masalah dan mengarh pada penemuan unsur baru yakni polonium dan radium. Saat Pierre Curie mengabdikan dirinya pada studi fisik radiasi baru, Marie berjuang mendapatkan radium murni dalam bentuk logam, dicapai dengan bantuan ahli kimia Andre-Louis Debierne, salah satu murid Pierre.
Atas hasil penelitiannya, Marie menerima menerima gelar doktor sainsnya pada Juni 1903 dan, bersama Pierre, dianugerahi Davy Medal dari Royal Society. Pada 1903 mereka berbagi Hadiah Nobel Fisika dengan Becquerel untuk penemuan radioaktivitas.
Nasib tragis pun menimpa Marie. Pada April 1906 suaminya, Pierre meninggal dunia. Meksi menjadi pukulan pahit, kematian Pierre merupakan titik balik yang menentukan dalam kariernya.
Dia mencurahkan seluruh energi untuk menyelesaikan karya ilmiah yang telah dilakukan. Pada 13 Mei 1906, dia diangkat menjadi profesor. Dia menjadi perempuan pertama yang mengajar di Sorbonne.