Spostamento a Parigi, Pierre Curie e primo premio Nobel
Nel 1891 Skłodowska andò a Parigi e, ora usando il nome Marie, iniziò a seguire le lezioni di Paul Appel, Gabriel Lippmann e Edmond Bouty alla Sorbona. Lì incontrò dei fisici che erano già ben conosciuti: Jean Perrin, Charles Maurain e Aimé Cotton. Skłodowska lavorava fino a notte fonda nella sua soffitta da studente e praticamente viveva di pane, burro e tè. È arrivata prima nella licenza di scienze fisiche nel 1893. Cominciò a lavorare nel laboratorio di ricerca di Lippmann e nel 1894 si classificò seconda nella licenza di scienze matematiche. Fu nella primavera di quell’anno che incontrò Pierre Curie.
Il loro matrimonio (25 luglio 1895) segnò l’inizio di una collaborazione che avrebbe presto raggiunto risultati di portata mondiale, in particolare la scoperta del polonio (così chiamato da Marie in onore della sua terra natale) nell’estate del 1898 e quella del radio pochi mesi dopo. Dopo la scoperta di Henri Becquerel (1896) di un nuovo fenomeno (che chiamò più tardi “radioattività”), Marie Curie, cercando un soggetto per una tesi, decise di scoprire se la proprietà scoperta nell’uranio si trovava anche in altre materie. Scoprì che questo era vero per il torio nello stesso momento in cui lo fece G.C. Schmidt.
Tornando la sua attenzione ai minerali, trovò il suo interesse attratto dalla pechblenda, un minerale la cui attività, superiore a quella dell’uranio puro, poteva essere spiegata solo dalla presenza nel minerale di piccole quantità di una sostanza sconosciuta di attività molto elevata. Pierre Curie si unì allora al lavoro che lei aveva intrapreso per risolvere questo problema e che portò alla scoperta dei nuovi elementi, il polonio e il radio. Mentre Pierre Curie si dedicò principalmente allo studio fisico delle nuove radiazioni, Marie Curie lottò per ottenere il radio puro allo stato metallico, ottenuto con l’aiuto del chimico André-Louis Debierne, uno degli allievi di Pierre Curie. Sui risultati di questa ricerca, Marie Curie ricevette il suo dottorato di scienza nel giugno 1903 e, con Pierre, fu premiata con la Medaglia Davy della Royal Society. Sempre nel 1903 condivisero con Becquerel il premio Nobel per la fisica per la scoperta della radioattività.
La nascita delle sue due figlie, Irène e Ève, nel 1897 e 1904 non interruppe l’intenso lavoro scientifico di Marie. Fu nominata docente di fisica all’École Normale Supérieure per ragazze a Sèvres (1900) e vi introdusse un metodo di insegnamento basato su dimostrazioni sperimentali. Nel dicembre 1904 fu nominata assistente capo nel laboratorio diretto da Pierre Curie.