Pierre Curie doporučil Marii Becquerelovi, který jí nabídl doktorantskédoktorské studium pod svým vedením na zdánlivě neatraktivní a pracné téma – zjistit, proč je radioaktivita některých druhů [[uran (prvek)|uranové]] rudy mnohem vyšší, než by plynulo z podílu čistého uranu v rudě. Mladá vědkyně, nyní již provdaná a pod jménem Marie Curie, začala obtížnou práci na dělení uranové rudy na jednotlivé chemické sloučeniny, zpočátku s pomocí mladého chemika A. Debiernea, který dělal licenciát. Hledala sloučeninu, která způsobovala vysokou radioaktivitu. Debiernea to brzy přestalo bavit a nahradil ho sám Pierre Curie. Výzkumy po čtyřech letech vedly nejprve k objevu [[polonium|polonia]], jež Marie Curie pojmenovala po své polské [[vlast]]i, a posléze mnohem radioaktivnějšího [[radium|radia]] (první gram radia izolovala ze [[uraninit|smolince]] pocházejícího z [[Jáchymov]]a). Výsledkem bylo také vyjasnění pravděpodobných příčin radioaktivity – jako efektu při rozpadu [[atom]]ových jader. V roce [[1903]] jako první žena v historii získala titul doktora fyziky a ve stejném roce jí byla udělena [[Nobelova cena za fyziku]].
Získání Nobelovy ceny Curieovy náhle proslavilo. Sorbonna Pierrovi přiznala místo profesora a souhlasila se založením jeho vlastní laboratoře, ve které se Marie stala vedoucí výzkumu. Ve stejné době také porodila druhou dceru Evu ([[1904]]).<ref>{{Citace elektronického periodika|periodikum = Polskieradio.pl|poznámka = Děti: dvě dcery|titul = Maria Skłodowska-Curie - pierwsza kobieta z Noblem|odkaz na autora = |url = http://www.polskieradio.pl/39/156/Artykul/890222,Maria-SklodowskaCurie-pierwsza-kobieta-z-Noblem|příjmení3 = |autor = bs|datum vydání = 2014-11-07|ilustrátoři = }}</ref>
