玛丽亚在索邦结识了另一名讲师,皮埃尔·居里,就是她后来的丈夫.他们两个经常在一起进行放射性物质的研究,以沥青铀矿石为主,因为这种矿石的总放射性比其所含有的铀的放射性还要强.1898年,居里夫妇对这种现象提出了一个逻辑的推断：沥青铀矿石中必定含有某种未知的放射成分,其放射性远远大于铀的放射性.12月26日,居里夫人公布了这种新物质存在的设想.
在此之后的几年中,居里夫妇不断地提炼沥青铀矿石中的放射成分.居里夫妇经过不懈的努力,他们终于成功地分离出了氯化镭并发现了两种新的化学元素：钋（Po）和镭（Ra）.因为他们在放射性上的发现和研究,居里夫妇和亨利·贝克勒尔共同获得了1903年的诺贝尔物理学奖,居里夫人也因此成为了历史上第一个获得诺贝尔奖的女性.八年之后的1911年,居里夫人又因为成功分离了镭元素而获得诺贝尔化学奖.出乎意外的是,在居里夫人获得诺贝尔奖之后,她并没有为提炼纯净镭的方法申请专利,而将之公布于众,这种作法有效的推动了放射化学的发展.
