Stěhování do Paříže, Pierre Curie a první Nobelova cena
V roce 1891 odjela Skłodowska do Paříže a pod jménem Marie začala na Sorbonně sledovat přednášky Paula Appela, Gabriela Lippmanna a Edmonda Boutyho. Tam se seznámila s již známými fyziky – Jeanem Perrinem, Charlesem Maurainem a Aimé Cottonem. Skłodowská pracovala dlouho do noci v podkroví svého studentského bytu a žila prakticky jen o chlebu s máslem a čaji. V roce 1893 se umístila na prvním místě v licenci fyzikálních věd. Začala pracovat v Lippmannově výzkumné laboratoři a v roce 1894 se umístila na druhém místě v licenciátu matematických věd. Právě na jaře toho roku se seznámila s Pierrem Curiem.
Jejich sňatek (25. července 1895) znamenal začátek partnerství, které mělo brzy dosáhnout výsledků světového významu, zejména objevu polonia (Marie ho tak nazvala na počest své rodné země) v létě 1898 a radia o několik měsíců později. Po objevu nového jevu Henri Becquerelem (1896) (který později nazvala „radioaktivita“) se Marie Curieová, která hledala téma pro diplomovou práci, rozhodla zjistit, zda vlastnost objevenou u uranu lze nalézt i u jiných látek. Že to platí pro thorium, zjistila ve stejné době jako G. C. Schmidt.
Převedla svou pozornost na minerály a zjistila, že ji zaujal smolinec, minerál, jehož aktivitu, převyšující aktivitu čistého uranu, lze vysvětlit pouze přítomností malého množství neznámé látky s velmi vysokou aktivitou v rudě. Pierre Curie se pak připojil k její práci, kterou podnikla k vyřešení tohoto problému a která vedla k objevu nových prvků, polonia a radia. Zatímco Pierre Curie se věnoval především fyzikálnímu studiu nových zářičů, Marie Curie se snažila získat čisté radium v kovovém stavu – podařilo se jí to s pomocí chemika André-Louise Debierna, jednoho z žáků Pierra Curieho. Na základě výsledků tohoto výzkumu získala Marie Curieová v červnu 1903 doktorát věd a spolu s Pierrem jí byla udělena Davyho medaile Královské společnosti. V roce 1903 se také společně s Becquerelem podělili o Nobelovu cenu za fyziku za objev radioaktivity.
Narození dvou dcer, Irène a Ève, v letech 1897 a 1904 nepřerušilo Mariinu intenzivní vědeckou práci. Byla jmenována lektorkou fyziky na École Normale Supérieure pro dívky v Sèvres (1900) a zavedla zde metodu výuky založenou na experimentálních demonstracích. V prosinci 1904 byla jmenována hlavní asistentkou v laboratoři, kterou vedl Pierre Curie.
.