婚后，居里夫人生下了大女儿伊雷娜·居里——伊雷娜后来也成为一位优秀的物理学家。这位母亲等身体恢复，便回实验室工作了。居里夫人想要读博士，为了选一个合适的研究方向，她和皮埃尔一起翻阅文献，调研当时最新的科学进展。

1896年，法国物理学家贝克勒耳发现，铀盐会放出不可见的射线，使包在黑纸中的照相底片感光。当时这种射线被称作“铀射线”，并被认为和前一年发现的X射线有关系。

这两种不可见的“光”引发了巨大轰动：大家纷纷讨论起肉眼看不见的事物来；英国作家H.G.威尔斯著名的科幻小说《隐形人》也是这一时期写成的。玛丽决定，用“铀射线”作为自己的博士课题。

当时知道“铀射线”能让空气发生电离，在一段时间内，让电流从中通过。如果一件物体上带有静电，而周围有电离的空气，电荷则会渐渐从物体上流走。运用这一原理，玛丽便在丈夫皮埃尔发明的一种验电器的基础上，发明了探测射线的方法：她手拿精密的计时器，测量一定量的静电离开物体的时间；时间越短，样本放出射线的能力就越强。

玛丽很快发现，除了铀以外，还有一种化学元素“钍”也能放出射线。很明显，再把这种射线叫“铀射线”就不恰当了。但这种现象总得有个名字。

玛丽将放出射线的性质用一个词“放射性”来表述，而有这种性质的元素，则叫“放射性元素”。

当玛丽一一测定各种标本的放射性强度时，她有了一个意外发现。根据矿石中铀、钍的含量，应该能推算出放射性的大小；然而，玛丽发现，某些铀矿石的放射性比推算出来的要强得多！她大胆猜测，这样的铀矿石中含有一种新元素，含量极低，但放射性非常强。

皮埃尔也放下自己原计划的研究项目，一起投入到妻子的研究工作中。他们通过化学分析法，将矿石中不同的元素分开，而射线检测器又成了他们的好伙伴。

举例来说，在加入一种试剂后，矿石分成了溶液、沉淀两部分；只要将它们用过滤的方法分开，再分别测定两部分的放射性强度，就知道他们下一步要往哪一部分里面寻找了。

这样的调查接近尾声，居里夫妇却发现，矿石的放射性主要集中在两个不同的化学部分里。这意味着，不止有一种新元素，而是有两种。

1898年7月，他们确信自己发现了其中一种元素。玛丽以祖国波兰的名字将其命名为“钋”。1898年12月，他们宣布：发现了另一种元素“镭”。

问题是，一些保守的化学家不承认仅凭放射性强度就宣布发现了新元素。而早期放射化学研究存在的一些混乱，似乎也反映出他们的保守有一定道理[18]。至少还要测出原子量，新元素的发现才受认可。

为了提取出纯净的新元素，最终测定其原子量，居里夫妇简单估计，要处理几吨的铀矿石[19]；很明显，这不是他们的经济条件可承受的方案。但他们灵机一动，虽然这种矿石非常昂贵，但是提炼铀之后剩下的矿渣几乎卖不出价钱，而他们要提取的物质，反而是矿渣里面更多。承蒙维也纳科学院的帮助，奥地利政府决定送给他们一吨这样的矿渣，居里夫妇只需出运费。

实验材料送到后，玛丽需要将上千克的矿渣放在一口锅中，用盐酸溶解，还要日夜奔走在几百个蒸发皿之间进行重结晶操作。而这一切都是在一间非常简陋的实验室里进行的。

将镭分离出来，玛丽足足工作了4年时间。1902年，居里夫妇终于从矿渣中提取出0.1克纯净的氯化镭。这是一种白色的粉末，在黑暗中发出幽幽的蓝光，又源源不断地放出热量，好似违背了能量守恒一般（爱因斯坦提出的质能方程可以正确解释这一现象）。他们测定了镭的原子量，又测定了其光谱，再也没人不承认镭的发现了。

1903年，贝克勒耳、居里夫妇因研究放射性，共获诺贝尔物理学奖。1906年，皮埃尔因车祸而去世，居里夫人大受打击。但她最终振作起来，决定建立研究所，告慰逝去的皮埃尔。1911年，为表彰镭、钋的发现，居里夫人再获诺贝尔化学奖。她是第一位两次获得诺贝尔奖的科学家。

第一次世界大战期间，为了拯救受伤的士兵，居里夫人被派往前线，在战地医院里，她指导组装出了“流动式X光机”。用这些设备检查伤员的身体，让军医能准确定位并取出射进士兵身体里的子弹。一战结束后，波兰得以复国，居里夫人最大的理想终于实现了。

当时对电离辐射的危害没有充分认识，由于长期受到各种放射线的影响，1934年，居里夫人因再生障碍性贫血而去世，享年66岁。她一生淡泊名利，拒绝给分离镭的技术申请专利。爱因斯坦评价她：“在所有的著名人物中，玛丽·居里是唯一不被荣誉所腐蚀的人。”