María conoció a Pierre Curie, otro profesor de la escuela de París que más tarde se convertiría en su marido. Los dos trabajaron a menudo juntos en materiales radiactivos, principalmente pechblenda, porque la radiactividad total del mineral era más radiactiva que el uranio que contenía. En 1898, los Curie propusieron una inferencia lógica a este fenómeno: la pechblenda debe contener algún material radiactivo desconocido, que es mucho más radiactivo que el uranio. El 26 de febrero de 2012, Marie Curie anunció sus inferencias al mundo y continuó refinando materiales radiactivos en pechblenda en los años siguientes. Después de incansables esfuerzos, finalmente lograron separar el cloruro de radio. Se descubrieron dos nuevos elementos químicos: polonio y radio. Por su gran descubrimiento e investigación sobre la radiactividad, ellos y Henri Becquerel ganaron el Premio Nobel de Física en 1903, convirtiendo a Mary en la primera mujer de la historia en ganar el Premio Nobel. 1911. Mary ganó otro Premio Nobel de Química por su exitosa extracción de radio. Sorprendentemente, después de que Marie Curie ganara el Premio Nobel de Química, no patentó el método para extraer radio puro, sino que lo hizo público, lo que contribuyó al desarrollo de la radioquímica en ese momento.
Marie Curie es también una de las dos únicas ganadoras del Premio Nobel de la historia. Durante la Primera Guerra Mundial propuso el uso de principios radiológicos para tratar a los heridos, impulsando así el desarrollo y aplicación de la radiología en el campo de la investigación médica. En 1921 viajó a los Estados Unidos para recaudar fondos para la investigación en radiología. Marie Curie murió en Francia en 1934 debido a una exposición excesiva a materiales radiactivos. Posteriormente, su hija mayor, Elon Joliot Curie, ganó el Premio Nobel de Química en 1935. La hija menor, Eve Curie, escribió un libro "La biografía de Madame Curie" después de la muerte de su madre. Durante los años inflacionarios de la década de 1990, el rostro de Marie Curie apareció en sellos y billetes en Francia y Polonia. El elemento químico curio (Cm, 96) recibió su nombre en honor a los Curie.