Mudanza a París, Pierre Curie y primer Premio Nobel
En 1891 Skłodowska fue a París y, ahora con el nombre de Marie, comenzó a seguir las clases de Paul Appel, Gabriel Lippmann y Edmond Bouty en la Sorbona. Allí conoció a físicos ya conocidos: Jean Perrin, Charles Maurain y Aimé Cotton. Skłodowska trabajaba hasta altas horas de la noche en su buhardilla de estudiante y prácticamente vivía a base de pan, mantequilla y té. En 1893 quedó primera en la licencia de ciencias físicas. Comenzó a trabajar en el laboratorio de investigación de Lippmann y en 1894 quedó en segundo lugar en la licencia de ciencias matemáticas. Fue en la primavera de ese año cuando conoció a Pierre Curie.
Su matrimonio (25 de julio de 1895) marcó el inicio de una asociación que pronto alcanzaría resultados de importancia mundial, en particular el descubrimiento del polonio (llamado así por Marie en honor a su tierra natal) en el verano de 1898 y el del radio unos meses después. Tras el descubrimiento por parte de Henri Becquerel (1896) de un nuevo fenómeno (que posteriormente denominó «radiactividad»), Marie Curie, buscando un tema para su tesis, decidió averiguar si la propiedad descubierta en el uranio se encontraba en otras materias. Descubrió que esto era cierto para el torio al mismo tiempo que G.C. Schmidt.
Dirigiendo su atención a los minerales, encontró su interés en la pechblenda, un mineral cuya actividad, superior a la del uranio puro, sólo podía explicarse por la presencia en el mineral de pequeñas cantidades de una sustancia desconocida de muy alta actividad. Pierre Curie se unió entonces a los trabajos que ella había emprendido para resolver este problema y que condujeron al descubrimiento de los nuevos elementos, el polonio y el radio. Mientras Pierre Curie se dedicaba principalmente al estudio físico de las nuevas radiaciones, Marie Curie se esforzaba por obtener radio puro en estado metálico, lo que consiguió con la ayuda del químico André-Louis Debierne, uno de los alumnos de Pierre Curie. Gracias a los resultados de esta investigación, Marie Curie se doctoró en ciencias en junio de 1903 y, junto con Pierre, recibió la Medalla Davy de la Royal Society. También en 1903 compartieron con Becquerel el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad.
El nacimiento de sus dos hijas, Irène y Ève, en 1897 y 1904, no interrumpió la intensa labor científica de Marie. Fue nombrada profesora de física en la École Normale Supérieure para niñas en Sèvres (1900) e introdujo allí un método de enseñanza basado en demostraciones experimentales. En diciembre de 1904 fue nombrada ayudante principal en el laboratorio dirigido por Pierre Curie.