Babasının tüm varlığını riskli bir yatırımda kaybetmesi nedeniyle, kısa dönemli birçok işte çalışmak zorunda kaldı. Ancak, bilim için bir şeyler yapma arzusu hiç dinmedi ve Sorbonne Üniversitesi’ne başvurdu. 1891′de, 23 yaşındaki mezuniyetinden sonra doğa bilimleri ve matematik dalında yüksek lisans yapmaya karar verdi. Yüksek li-sansını 1895′te tamamladı. Aynı yıllarda ümit vaat eden Fransız fizikçi Pierre Curie ile tanıştı ve evlendi. Artık, Marie Curie’nin bilimsel kariyerindeki taşlar bir bir yerine oturuyordu. 

İlk atlama taşı, Paris kökenli bir başka bilim adamının 1896 baharındaki ilginç buluşuydu. Politeknik Okulu’na yeni atanan Profesör Henri Becquerel, bazı cisimlerin ya da canlı varlıkların normal sıcaklığında hissedilir bir artış olmadan, karanlıkta ışık verme özelliği şeklinde tanımlanan "fosfor ışıl” olgusunu araştırıyordu. Becquerel, bu olayı açıklamak için uranyum elementi içeren bileşiklere odaklanmıştı. Uranyum içeren kristallerin ışığı nasıl emdiğini ortaya çıkarmak istiyordu. Bu amaçla, fotoğraf klişeleri ve kristallerle bir deney yapmaya karar verdi.
Kötü hava koşulları nedeniyle deneyini ertelemek zorunda kalınca, kristalleri ve fotoğraf klişelerini bir dolaba kilitledi. Aslında onları unutmuştu ve 1 martta dolabın kapağını açtığında büyük bir şaşkınlığa düştü… Kristaller, güneş ışığıyla aktif hale gelmemişlerdi; ama klişeler bomboştu, hatta kararmışlardı. Uranyum kristalleri, bağımsız olarak ışın yaymışlardı. 

Bu raslantısal buluş gerçekten şaşırtıcıydı. Bu ışınları üreten enerji nereden geliyordu? Sorunun cevabını bir yıl boyunca kimse veremedi. Curie’ler, 1897 kışında "Becquerel ışınları”nın gizemini çözmeye karar verdiler. İlk aşamada, uranyum içeren kristallerde doğan etkinin yoğunluğunu ölçmekle işe başladılar. Bu etki, Marie’nin adını verdiği "radyoaktivite”ydi… Kocasının daha önceki çalışmalarından yararlanarak, farklı kristallerin ortaya çıkardığı radyoaktivite düzeyinin tek bir unsura bağlı olduğunu buldu: kristal içindeki uranyumun miktarı. Ancak, mineralleri radyoaktifleştiren etken tek başına uranyum olmayabilirdi. Bu etkiyi, periyodik tabloda, uranyumun hemen altında yer alan toryum da yaratabilirdi. 

Marie, bu olasılığı göz önüne alarak araştırma alanını genişletti ve radyoaktivite için çok sayıda maddeyi test etti. Bunlar arasında, bir madde üstünde yoğunlaştı: uranyumdan arta kalan katranlı zift cevheri. Marie, yüzde 65 oranında uranyum içeren bu cevherde, uygun radyoaktivite düzeyini bulmayı amaçladı. Ölçümleri sonucunda, cevherin gerekenden çok daha radyoaktif olduğunu anladı. 

Marie, 4 Kasım 1911′de Fransa’nın o dönemlerde en çok satan gazetesi Le Journal’in manşetindeydi: "Bir aşk hikâyesi: Madam Curie ve Profesör Langevin”. Bu başlığın hemen altında, Fransa’nın en seçkin fizikçilerinden Paul Langevin ile Marie Curie arasında tutkulu bir ilişkinin yaşandığından bahsediliyordu. Yazıda, Marie’nin utanmaz bir yuva yıkıcı olduğu ve Langevin’in karısı ile çocuğunu çaresiz bıraktığı anlatılıyordu. 

Gerçekte ise, Marie ile Langevin uzun zamandan beri çok yakın iki dosttu. Özellikle de Pierre’in ölümünden sonra Langevin ona çok destek olmuştu. Bu yakınlığı kıskanan karısı ve kayınvalidesi de, böyle bir yalanı ortaya atmışlardı. Ama, asıl dram bundan birkaç gün sonra yaşanacaktı. Marie’nin 1911′de Nobel Kimya Ödülü’nü aldığı açıklandı, ancak Komite üyelerinden gelen mektupta törenden uzak durması iste-niyordu. Doğaldır ki, Marie bu mektubu dikkate almadı ve yılmadı. Sonunda bu dedi-kodular iki dostu birbirinden ayırmaya yetti. Marie laboratuvarına geri döndü, Langevin de karısına. Ancak işin ilginç yanı, Langevin çok kısa bir süre sonra metre-siyle birlikte yaşamaya başladı. 

Bunun anlamı çok açıktı; bu siyah renkli tehlikeli cevherde yepyeni ve bilinmeyen bir radyoaktivite kaynağı gizliydi. Kocasıyla birlikte yeni kaynaklara yöneldiler ve olağanüstü yorucu ve son derece tehlikeli araştırmalarına giriştiler. Toplayabildikleri kadar çok katranlı zift cevherini aylarca ayrıştırmakla uğraştılar. Haziran 1898′de, uranyumdan 400 kat daha radyoaktif bir kimyasal elementi bularak ilk başarılarına ulaştılar. Bu elemente Marie’nin anayurdundan esinlenerek "polonyum” adını verdiler. 

Polonyum, uranyumdan çok daha radyoaktifti; ancak, cevherdeki olağanüstü değerle-re ulaşan radyoaktiflikten tek başına sorumlu değildi. Curie’ler, araştırmalarını sürdürdüler ve Kasım 1898′de, polonyumdan da güçlü bir başka radyoaktif element keşfettiler. 

Bu element ölçüm yapmak için çok küçüktü, ama, katranlı zift cevherinin gizemini çözebilirdi. Curie’ler, bu elemente de Latince’de "ışın” anlamına gelen "radyum” adını uygun gördüler. Şimdi sıra, bu elementin özelliklerinin kimyasal çözümlemesine gelmişti. Bunu gerçekleştirmenin tek yolu da, büyük bir katranlı zift cevheri bulmak ve bunu madeni radyumparçacıklarına indirgemekti. O zamana kadar işbirliği içinde çalışan Curie çifti, araştırma yollarını ayırmaya karar verdi. Pierre, radyoaktivite sürecinin ayrıntılarına odaklandı. Marie ise, çok daha tehlikeli olan radyumun ayrıştırılmasına yöneldi. 

Rothschild ailesinin yardımıyla, Bohemya’daki uranyum madeninden 10 ton cevher atığına sahip oldu. Atığı çok zor koşullarda billurlaştırdı. Bu çalışma için, hiç durmadan çalıştı ve tam dört yılını harcadı. Çetin uğraşları sonucunda, bir gramın onda biri ağırlığında radyum klorit elde etti. Bu, yaydığı akkor ışıkla herkesi büyüleyen ilginç bir maddeydi. Ama Marie, bu ürkütücü ışığın karanlık yüzünü yıllar sonra görecekti. 

1902 yılında, Curie’lerin, araştırmaları ve ulaştıkları sonuçlar nedeniyle, Nobel Ödülü’nü Henri Becquerel’le birlikte almaları gerektiği tartışmaları başladı. Ancak, Fransız Bilim Akademisi’nden bir grup bilim adamı, yazdıkları tavsiye mektuplarında bilerek ve açıkça Marie Curie’nin adını atladılar. Neyse ki, Nobel Komitesi adayları inceledikten sonra hiç tereddüt etmeden 1903 Fizik Ödülü’nü bu üç bilim insanına verdi. Ödül, kuşkusuz Marie için çok özeldi. 

Bundan sonraki yıllar içinde eşiyle birlikte çalışma fırsatı bulamadı. 19 Nisan 1906′da da, o trajik kaza gerçekleşti. Pierre Curie atlı bir arabanın altında kalmıştı.Marie, acısını kendini işine vererek dindirmeye çalıştı. Sorbonne’da eşinin kürsüsüne profesör olarak atandığında, bu okulda ders veren ilk kadın unvanını kazandı. Polonyum ve radyum üzerine yaptığı çalışmalarla da 1911′de Nobel Kimya Ödülü’nü alarak yine bir ilke imza attı.
Bu ikinci zafer, kamuoyunda çalkalanan söylentilerle lekelenmeye çalışıldı. Adı, bir başka saygın fizikçi Paul Langevin’le aşk dedikodusuna karıştırılmıştı. Bunun da üstesinden gelmeyi başardı. Artık tek amacı, araştırmasının diğer bilim dallarına da yardımcı olmasını sağlamaktı. 

İlk olarak radyumun tıbbi uygulamalarda kullanılmasına öncülük etti. Kansere karşı çok etkili sonuçlar veren "radyoterapi”, uzun yıllar boyunca milyonlarca insanın hayatını kurtardı. Bu başarılı gelişme birtakım spekülasyonları da beraberinde getirmişti. Avusturya’da kaplıcalarıyla ünlü kasabalar, katranlı zift cevheri bulunan bölgelerde kampanyalar başlatarak, sularının sağlık kaynağı olduğunu ileri sürdüler. Yine bir Fransız kozmetik firması daha da ileri giderek, toryum ve radyum içeren "Tho-Radia” adlı yüz kremini piyasaya sürdü.
Bu kampanyaların ve iddiaların tümü, radyumun öldürücü etkisi ortaya çıkınca birdenbire durduruldu. 1930′lu yıllarda doktorlar, saat fabrikalarında çalışan işçilerin büyük bir bölümünde kanser vakalarına rastladılar.
ABD’deki küçük bir fabrikada, işçiler saat kadranına son şeklini vermek için radyum içeren boyalar kullanıyorlar ve bu işlemi, fırçanın ucunu dilleriyle yalayarak gerçekleştiriyorlardı. Sonuçta, işçilerin çoğu kemik kanserine yakalandı. 

Aynı dönemlerde, Marie Curie de radyum tehlikesini fazlasıyla yaşamaya başladı. Gece gündüz demeden birlikte yaşadığı element kendisine ihanet etmiş, Mayıs 1934′te çok ciddi şekilde rahatsızlanmıştı. Testler, şiddetli bir kansızlığı, yani anemiyi işaret ediyordu. Fransız Alpleri’ndeki sanatoryuma gönderildiyse de artık çok geçti. Uzun yıllar üzerinde çalıştığı radyum nedeniyle kan kanserine yakalanmıştı ve çok geçmeden 4 Haziran 1934′te gözlerini hayata yumdu. Yıllar süren mücadelesinin izleri ellerine de yansımıştı, parmakları nasırlarla ve radyasyon yanıklarıyla doluydu. Savaşımla geçen bilimsel kariyerinde, binlerce kişinin hayatını kurtaran Curie, yine kendi adını verdiği maddenin kurbanı olmuştu.