Apoi Maria a ajuns în Franța, la sora sa care studiase Medicina la Paris, unde a început să-și spună Marie și unde în 1891 a fost admisă la Sorbona. Tot la Paris s-a întâlnit și cu viitorul său soț, Pierre Curie, fizician și el. Încep să facă împreună cercetări în domeniul radioactivității, în urma cărora descoperă și două noi elemente: poloniul și radiul. Marie Curie a demonstrat că misterioasa radiație este o proprietate atomică. Tot ea a fost și cea care a denumit fenomenul „radioactivitate”, iar elementele chimice cu această proprietate, „elemente radioactive”.
Descoperirea radioactivității a avut un impact major în lumea fizicii. Oamenii de știință au înțeles și mai bine structura atomului dovedindu-se că acesta poate fi descompus în particule elementare mai mici.
Al doilea Premiu Nobel
La trei ani după ce Marie și Pierre Curie au primit Premiul Nobel pentru fizică, Pierre a murit în urma unui accident, lăsând-o pe Marie cu cele două fete ale lor, dar și cu cercetarea la care lucrau, neterminată. Decesul lui Pierre Curie, a reprezentat o puternică lovitură pentru Marie, însă a trecut peste acest eveniment nefericit refugiindu-se, din nou, în muncă.
A continuat singură cercetările și a reușit izolarea radiului, pentru care primește al doilea Premiu Nobel, în 1911, de data aceasta pentru Chimie. După o viață intensă și plină de privațiuni, dar și din cauza expunerii, fără protecție, la elemente radioactive, Marie Curie s-a îmbolnăvit de anemie aplastică, un fel de leucemie.
S-a stins din viață într-un sanatoriu din Franța, în 1934, la două decenii după moartea soțului său. Munca sa științifică a fost continuată de una dintre fiicele sale, Irene, care, împreună cu soțul său, Frederique Joliot-Curie, descoperă radioactivitatea artificială.
