Спільно із чоловіком відкрила елементи радій (від лат. radius – "промінь") і полоній (від лат. Polōnia — Польща, на честь батьківщини Марії Склодовської). П'єр і Марія Кюрі поряд з Антуаном Анрі Беккерелем також є першими французами нобелівськими лауреатами в галузі фізики.
26 грудня 1898 року у Французькій академії наук подружжям П'єром та Марією Кюрі була зроблена доповідь, в якій вони оголосили про теоретичне відкриття двох нових радіоактивних елементів – радію та полонію.
На відкритій для неї кафедрі фізики у Сорбонні очолює лабораторію. Після трагічної смерті П'єра Кюрі 1906 року Марія очолює його кафедру. Висуває свою кандидатуру до Французької академії наук.
У липні 1898 року Кюрі опублікували статтю «Про радіоактивну речовину, що міститься в урановій смоляній обманці» («Sur une substance radioactive contenue dans le pechblende»), в якій повідомляли про відкритті одного з елементів, названого полонієм на честь Польщі, батьківщини Марії Склодовської.