Verhuis naar Parijs, Pierre Curie, en eerste Nobelprijs
In 1891 ging Skłodowska naar Parijs en, nu onder de naam Marie, begon ze de colleges van Paul Appel, Gabriel Lippmann en Edmond Bouty aan de Sorbonne te volgen. Daar ontmoette zij natuurkundigen die al bekend waren – Jean Perrin, Charles Maurain en Aimé Cotton. Skłodowska werkte tot diep in de nacht in haar studentenflat en leefde praktisch op brood, boter en thee. Ze werd eerste in het licentiaat natuurwetenschappen in 1893. Zij begon te werken in het onderzoekslaboratorium van Lippmann en werd in 1894 tweede in de licentie voor wiskundige wetenschappen. In de lente van dat jaar ontmoette zij Pierre Curie.
Hun huwelijk (25 juli 1895) markeerde het begin van een partnerschap dat weldra resultaten van wereldformaat zou opleveren, met name de ontdekking van polonium (door Marie zo genoemd ter ere van haar geboorteland) in de zomer van 1898 en die van radium enkele maanden later. Na de ontdekking door Henri Becquerel (1896) van een nieuw verschijnsel (dat zij later “radioactiviteit” noemde), besloot Marie Curie, op zoek naar een onderwerp voor een proefschrift, na te gaan of de in uranium ontdekte eigenschap ook in andere materie te vinden was. Zij ontdekte dat dit gold voor thorium op hetzelfde moment als G.C. Schmidt.
Toen zij zich op mineralen ging richten, werd haar belangstelling getrokken door pekblende, een mineraal waarvan de activiteit, hoger dan die van zuiver uranium, alleen verklaard kon worden door de aanwezigheid in het erts van kleine hoeveelheden van een onbekende stof met een zeer hoge activiteit. Pierre Curie sloot zich bij haar aan bij de werkzaamheden die zij had ondernomen om dit probleem op te lossen en die hadden geleid tot de ontdekking van de nieuwe elementen, polonium en radium. Terwijl Pierre Curie zich voornamelijk wijdde aan de natuurkundige studie van de nieuwe stralingen, probeerde Marie Curie zuiver radium in metallische toestand te verkrijgen – met de hulp van de scheikundige André-Louis Debierne, een van de leerlingen van Pierre Curie. Op de resultaten van dit onderzoek promoveerde Marie Curie in juni 1903 tot doctor in de wetenschappen en ontving zij, samen met Pierre, de Davy-medaille van de Royal Society. Eveneens in 1903 deelden zij met Becquerel de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de ontdekking van radioactiviteit.
De geboorte van haar twee dochters, Irène en Ève, in 1897 en 1904 onderbrak Marie’s intensieve wetenschappelijke werk niet. Ze werd benoemd tot lerares natuurkunde aan de École Normale Supérieure voor meisjes in Sèvres (1900) en introduceerde daar een onderwijsmethode gebaseerd op experimentele demonstraties. In december 1904 werd zij benoemd tot hoofdassistente in het laboratorium onder leiding van Pierre Curie.