1898年法国物理学家贝可勒尔发现含铀矿物能放射出一种神秘射线，但未能揭示出这种射线的奥秘。
玛丽和她的丈夫彼埃尔·居里共同承担了研究这种射线的工作。他们在极其困难的条件下，对沥青铀矿进行分离和分析，终于在1898年7月和12月先后发现两种新元素。1906年，彼埃尔·居里遭车祸去世。这一沉重的打击并没有使玛丽放弃执著的追求，她强忍悲痛加倍努力地去完成他们挚爱的科学事业。她在巴黎大学将丈夫所开的讲座继续下去，成为该校第一位女教授。1910年，她的名著《论放射性》一书出版。同年，她与别人合作分析纯金属镭，并测出它的性质。她还测定了氧及其他元素的半衰期，发表了一系列关于放射性的重要论著。鉴于上述重大成就，1911年她叉获得了诺贝尔化学奖，成为历史上第一位两次获得诺贝尔奖的伟大科学家。
