Внимание супругов Кюри привлекла работа французского физика Антуана Анри Беккереля, который заметил, что фотографическая пластинка, далее накрытая черной бумагой, реагирует на лежащую на ней соль урана так, как будто бы на нее падал солнечный свет. Происходило это под влиянием особого излучения эманируемого солями урана. Эти лучи отличаются от световых своей способностью проникать через черную бумагу. Мария Кюри-Склодовская в своей работе доказала, что излучение это присуще атомам урана. Проверив большое количество минералов, Мария пришла к выводу, что способностью испускать таинственные лучи обладают только те минералы, в состав которых входит либо уран, либо торий.
Супруги Кюри с увлечением взялись за серию дальнейших исследований. Они начали с руды из Иоахимова в нынешней Чехословакии. Из этой руды они в июле 1898 года добыли вещество, сопутствующее висмуту, со значительно более мощным излучением, чем уран имевшее определенные химические свойства. Это вещество супруги Кюри назвали полонием. Во время дальнейших исследований они в руде из Иоахимова нашли еще один излучающий элемент, названный ими радием. Работы по выделению этого элемента и определению его физических свойств продолжались до 1902 года.
В 1903 году Мария Склодовская-Кюри закончила докторскую диссертацию и в конце этого же года вместе с Пьером Кюри и Анри Беккерелем получила Нобелевскую премию за открытие излучения и радиоактивных элементов.
Пьер Кюри погиб от несчастного случая в 1906 году. Вдова заменила мужа в руководстве кафедрой в Сорбонне. Это назначение было крупным событием, так как Мария Склодовская-Кюри была первой женщиной, назначенной на профессорский пост в Сорбонне за все время существования этого высшего учебного заведения. Склодовская продолжала работать над радиоактивностью. В 1911 году ей вторично была присвоена Нобелевская премия. На этот раз только ей одной. Вскоре выяснилось, что, благодаря свойствам излучения, радий может оказаться прекрасным средством в борьбе со злокачественным опухолями. В июле 1913 года был открыт Институт Радия в Париже и радиевый Павильон в Варшаве. Представители польской общественности пригласили Марию возглавить этот Павильон. Хотя годы проведенные во Франции не уменьшили ее привязанности к Родине, хотя Мария продолжала чувствовать себя полькой, она не могла решиться оставить Францию, с которой была связана столь многочисленными узами: работой, начатой вместе с мужем, похороненным на Парижском кладбище, подрастающими дочерями, родившимися во Франции. Мария Склодовская приехала в Варшаву на открытие Павильона, но через несколько дней вернулась в Париж.
Во время первой мировой войны Склодовская все время работала на фронте в передвижной рентгеновской лаборатории. После войны вернулась к прерванной научной работе, которой посвятила всю остальную жизнь.