Umzug nach Paris, Pierre Curie und der erste Nobelpreis
Im Jahr 1891 ging Skłodowska nach Paris und begann, nun unter dem Namen Marie, die Vorlesungen von Paul Appel, Gabriel Lippmann und Edmond Bouty an der Sorbonne zu besuchen. Dort traf sie auf bereits bekannte Physiker wie Jean Perrin, Charles Maurain und Aimé Cotton. Skłodowska arbeitete bis tief in die Nacht in ihrer Studentenbude und lebte praktisch von Butterbrot und Tee. 1893 belegte sie den ersten Platz in der Lizenz der physikalischen Wissenschaften. Sie begann, in Lippmanns Forschungslabor zu arbeiten, und wurde 1894 Zweite in der Lizenz der mathematischen Wissenschaften. Im Frühjahr dieses Jahres lernte sie Pierre Curie kennen.
Mit ihrer Heirat (25. Juli 1895) begann eine Partnerschaft, die bald zu Ergebnissen von weltweiter Bedeutung führen sollte, insbesondere die Entdeckung von Polonium (von Marie zu Ehren ihres Heimatlandes so genannt) im Sommer 1898 und die von Radium einige Monate später. Nach der Entdeckung eines neuen Phänomens (das sie später „Radioaktivität“ nannte) durch Henri Becquerel (1896) beschloss Marie Curie auf der Suche nach einem Thema für ihre Doktorarbeit, herauszufinden, ob die im Uran entdeckte Eigenschaft auch in anderen Stoffen vorkommt. Sie entdeckte, dass dies auch für Thorium galt, zur gleichen Zeit wie G.C. Schmidt.
Als sie sich den Mineralien zuwandte, wurde sie auf die Pechblende aufmerksam, ein Mineral, dessen Aktivität, die höher war als die des reinen Urans, nur durch das Vorhandensein kleiner Mengen einer unbekannten Substanz mit sehr hoher Aktivität im Erz erklärt werden konnte. Pierre Curie schloss sich ihr bei den Arbeiten an, die sie zur Lösung dieses Problems unternommen hatte und die zur Entdeckung der neuen Elemente Polonium und Radium führten. Während Pierre Curie sich vor allem der physikalischen Untersuchung der neuen Strahlungen widmete, bemühte sich Marie Curie um die Gewinnung von reinem Radium in metallischem Zustand, was ihr mit Hilfe des Chemikers André-Louis Debierne, eines Schülers von Pierre Curie, gelang. Auf der Grundlage dieser Forschungsergebnisse promovierte Marie Curie im Juni 1903 zum Doktor der Wissenschaften und erhielt zusammen mit Pierre die Davy-Medaille der Royal Society. Ebenfalls 1903 teilten sie sich mit Becquerel den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Radioaktivität.
Die Geburt ihrer beiden Töchter Irène und Ève in den Jahren 1897 und 1904 unterbrach die intensive wissenschaftliche Arbeit von Marie nicht. Sie wurde zur Dozentin für Physik an der École Normale Supérieure für Mädchen in Sèvres (1900) ernannt und führte dort eine auf experimentellen Demonstrationen basierende Lehrmethode ein. Im Dezember 1904 wurde sie zur leitenden Assistentin in dem von Pierre Curie geleiteten Laboratorium ernannt.