Marie gaat aan de Sorbonne fysica en wiskunde studeren. Ze behaalt haar diploma fysica in 1893 en wiskunde in 1894. Dat jaar maakt ze kennis met Pierre Curie, professor aan ‘l’École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris’. Ze trouwen op 26 juli 1895. Haar leven is strak georganiseerd: acht uur per dag spendeert ze aan wetenschappelijk onderzoek, drie uur aan huishoudelijke taken en in de overblijvende tijd zet ze haar studies voort. Op 12 september 1897 wordt hun eerste dochter geboren, de toekomstige Irène Joliot-Curie. Marie is zeer geïnteresseerd in het werk van Henri Becquerel, die in 1896 de uraniumstraling heeft ontdekt. Weldra zal ook haar echtgenoot komen helpen bij haar onderzoek. Het is Marie die ontdekt dat ook andere materialen dan uranium straling kunnen afgeven. Ze stelt voor deze mogelijkheid ‘radioactiviteit’ te noemen. Een nieuwe wetenschap is geboren. In 1902 slaagt Marie er eindelijk in om een decigram pure radium te verkrijgen.

Dit werk zal de basis zijn voor haar doctoraat “Recherches sur les Substances Radioactives”, waarmee ze op 20 januari 1903 haar diploma van doctor in de natuurwetenschappen behaalt. In 1903 wordt de Nobelprijs Fysica toegekend aan Henri Becquerel, Pierre en Marie Curie voor de ontdekking van de radioactiviteit. Hiermee was ze de eerste vrouw die een Nobelprijs in ontvangst mocht nemen.