Muutto Pariisiin, Pierre Curie ja ensimmäinen Nobel-palkinto
Vuonna 1891 Skłodowska lähti Pariisiin ja alkoi, nyt Marie-nimellä, seurata Paul Appelin, Gabriel Lippmannin ja Edmond Boutyn luentoja Sorbonnessa. Siellä hän tapasi jo tunnettuja fyysikoita – Jean Perrinin, Charles Maurainin ja Aimé Cottonin. Skłodowska työskenteli pitkälle yöhön opiskelija-asuntolan porrashuoneessa ja eli käytännössä leivällä, voilla ja teellä. Hän tuli ensimmäiseksi fysikaalisten tieteiden lisenssissä vuonna 1893. Hän alkoi työskennellä Lippmannin tutkimuslaboratoriossa, ja vuonna 1894 hän sijoittui toiseksi matemaattisten tieteiden kokeessa. Saman vuoden keväällä hän tapasi Pierre Curien.
Heidän avioliittonsa (25.7.1895) merkitsi alkua kumppanuudelle, joka pian saavutti maailmankuuluja tuloksia, erityisesti poloniumin (Marie nimesi sen niin kotimaansa kunniaksi) löytämisen kesällä 1898 ja radiumin löytämisen muutamaa kuukautta myöhemmin. Henri Becquerelin löydettyä (1896) uuden ilmiön (jota hän myöhemmin kutsui ”radioaktiivisuudeksi”) Marie Curie päätti opinnäytetyönsä aihetta etsiessään selvittää, löytyisikö uraanista löydettyä ominaisuutta myös muista aineista. Hän havaitsi tämän koskevan toriumia samaan aikaan kuin G.C. Schmidt.
Kääntäessään huomionsa mineraaleihin hän huomasi kiinnostuksensa kiinnittyvän pitchblendeen, mineraaliin, jonka puhdasta uraania parempi aktiivisuus voitiin selittää vain sillä, että malmissa oli pieniä määriä tuntematonta ainetta, jonka aktiivisuus oli erittäin korkea. Pierre Curie liittyi sitten hänen mukaansa työhön, jonka hän oli aloittanut tämän ongelman ratkaisemiseksi ja joka johti uusien alkuaineiden, poloniumin ja radiumin, löytämiseen. Pierre Curie omistautui pääasiassa uusien säteilylähteiden fysikaaliseen tutkimukseen, kun taas Marie Curie ponnisteli saadakseen puhdasta radiumia metallisessa olomuodossa – tämä onnistui Pierre Curien oppilaan, kemisti André-Louis Debiernen, avulla. Tämän tutkimuksen tuloksista Marie Curie väitteli luonnontieteiden tohtoriksi kesäkuussa 1903 ja sai yhdessä Pierren kanssa Royal Societyn Davy-mitalin. Samoin vuonna 1903 he jakoivat Becquerelin kanssa fysiikan Nobel-palkinnon radioaktiivisuuden löytämisestä.
Kahden tyttären, Irènen ja Èven, syntymä vuosina 1897 ja 1904 ei keskeyttänyt Marien intensiivistä tieteellistä työtä. Hänet nimitettiin fysiikan lehtoriksi Sèvresin tyttöjen École Normale Supérieureen (1900) ja hän otti siellä käyttöön kokeellisiin demonstraatioihin perustuvan opetusmenetelmän. Joulukuussa 1904 hänet nimitettiin yliassistentiksi Pierre Curien johtamaan laboratorioon.