A radioaktivitás kutatásában elért eredményei tették világhírűvé.
A radioaktivitás (a radioaktivitás szót a Curie házaspár használta először) kutatásának továbbvitele szempontjából döntő jelentőségű lépés volt a kibocsátott sugárzás intenzitásának mérésére szolgáló módszer kidolgozása. Marie Curie számára férje és annak testvére Jacques Curie konstruált egy műszert, amelynek segítségével lehetővé vált a sugárzás ionizációjának hatására fellépő kis áramerősségek mérése. Miután kiderült, hogy a radioaktivitás jelensége az uránhoz mint elemhez van kötve, felmerült a kérdés, nem mutat-e más elem is hasonló jelenségeket, más szóval nem található-e a természetben másfajta radioaktív elem is. 1897-ben Marie Curie felfedezte, hogy a tórium is radioaktív. Vele egy időben ugyanerre az eredményre jutott G. C. Schmidt is. 1898 nyarán férjével felfedezték a polóniumot majd néhány hónappal később a rádiumot. Míg Pierre Curié elsősorban az újfajta sugárzások fizikai tanulmányozásával foglalkozott, Marie tiszta, fémes állapotú rádiumot igyekezett előállítani. 1911-ben a vegytiszta rádium előállításáért megkapta a kémiai Nobel-díjat. Az I. világháború alatt leányával, Irene-nel együtt a röntgengráfia alkalmazásainak fejlesztésén dolgozott. A hírnevének csúcsán álló Marie Curie-t 1922-ben az Orvostudományi Akadémia tagjai közé választották, s ettől kezdve elsősorban a radioaktív anyagok kémiájának és orvosi alkalmazásának a kutatásával foglalkozott.
1934-ben belehalt a sugárzás okozta fehérvérűségbe.
Elismerései