Przeprowadzka do Paryża, Pierre Curie i pierwsza Nagroda Nobla
W 1891 roku Skłodowska wyjechała do Paryża i, używając teraz imienia Marie, zaczęła śledzić wykłady Paula Appela, Gabriela Lippmanna i Edmonda Bouty’ego na Sorbonie. Tam poznała znanych już fizyków – Jeana Perrina, Charlesa Mauraina i Aimé Cottona. Skłodowska pracowała do późnych godzin nocnych na swoim studenckim poddaszu i praktycznie żyła o chlebie z masłem i herbatą. W 1893 roku zajęła pierwsze miejsce w konkursie na licencjat z nauk fizycznych. Zaczęła pracować w laboratorium badawczym Lippmanna i w 1894 r. zajęła drugie miejsce w licencjacie nauk matematycznych. To właśnie wiosną tego roku poznała Pierre’a Curie.
Ich małżeństwo (25 lipca 1895 r.) zapoczątkowało współpracę, która wkrótce miała przynieść rezultaty o światowym znaczeniu, w szczególności odkrycie polonu (nazwanego tak przez Marię na cześć jej rodzinnego kraju) latem 1898 r. i radu kilka miesięcy później. Po odkryciu przez Henri Becquerela (1896) nowego zjawiska (które później nazwała „radioaktywnością”), Maria Curie, szukając tematu do pracy magisterskiej, postanowiła sprawdzić, czy właściwość odkryta w uranie występuje także w innych materiach. Odkryła, że jest to prawdą w przypadku toru w tym samym czasie, co G.C. Schmidt.
Kierując swoją uwagę na minerały, zainteresowała się pitchblendą, minerałem, którego aktywność, przewyższającą aktywność czystego uranu, można wytłumaczyć jedynie obecnością w rudzie niewielkich ilości nieznanej substancji o bardzo wysokiej aktywności. Pierre Curie przyłączył się do jej pracy, którą podjęła w celu rozwiązania tego problemu i która doprowadziła do odkrycia nowych pierwiastków: polonu i radu. Podczas gdy Pierre Curie poświęcił się głównie fizycznym badaniom nowych promieni, Maria Curie starała się uzyskać czysty rad w stanie metalicznym – udało się to z pomocą chemika André-Louisa Debierne’a, jednego z uczniów Pierre’a Curie. Na podstawie wyników tych badań Maria Curie otrzymuje w czerwcu 1903 r. tytuł doktora nauk, a wraz z Pierre’em zostaje odznaczona Medalem Davy’ego Towarzystwa Królewskiego. Również w 1903 roku podzielili z Becquerelem Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie radioaktywności.
Narodziny dwóch córek, Irène i Ève, w latach 1897 i 1904, nie przerwały intensywnej pracy naukowej Marii. Została mianowana wykładowcą fizyki w École Normale Supérieure dla dziewcząt w Sèvres (1900) i wprowadziła tam metodę nauczania opartą na demonstracjach doświadczalnych. W grudniu 1904 roku została mianowana głównym asystentem w laboratorium kierowanym przez Pierre’a Curie.
.