婚后，玛丽接连生了两个女儿，但仍然不放弃她的物理学博士学位的学习，发表了有关回火钢的磁化问题的专著，获得一笔科研奖金。在剩余时间里，她同丈夫合作，协助他所进行的实验。医生们警告她注意左肺上的结核性病灶，并建议她去疗养院休养。但是玛丽执意不肯去，她太专心她的实验室工作了。这时，她和比埃尔对亨利·贝克勒尔的实验都发生了兴趣。贝克勒尔是位杰出的法国物理学家，在检验一种稀有金属——铀盐时，发现它发射出一种显然能透过不透明物体的光线。贝克勒尔把一种铀的化合物放在一块外面包着黑纸的照相底片上，发现铀的化合物已经透过黑纸在底片上留下了放射痕迹，照相底片颜色变黑了。他的观察结果表明：这是一种新型的发自固体物质内部的辐射，这种辐射能够使验电器放电。这是人类第一次观察到某些奇异光线的穿透力。这种辐射的特性和来源是一个令人神往的谜，这种能通过不透明物质的神秘的穿透力的本质是什么？这种奇怪的能源又从何而来？这些疑问强烈地吸引着玛丽和比埃尔·居里，玛丽决意去研究铀的辐射。这就是发现和研究镭的开始。这是一条漫长而险峻的科学之路，它使这对夫妇付出了毕生的心血和代价，以最大的勇气和超凡的想象力，以百折不回的毅力，终于达到了目的。

从研究一开始，他们就遇到种种困难。玛丽唯一能得到的实验室是理化学院的一所破旧的木棚。夏天，房间闷热得像个蒸笼；冬天，温度常常在零度线上下。不过，总算有了进行科学试验的场所，这位弱小的肺病患者奋不顾身地开始探索人类尚不知道的秘密。她用比埃尔·居里发明的测量电的精确方法，迅速投入了研究工作。首先，必须测量出铀射线的电离功率。她用极为简陋的工具，检查了铀的特性，发现这种金属神秘的放射现象不受光照、温度及铀化合物的化学状态的影响。她渐渐地确信，辐射现象来自原子的一种放射性能。她想：也许铀还不是唯一具有放射性的化学元素，为了测试辐射是否会发生在其他地方，她细致入微地检测了每一种已知的元素，包括单质状态和化合物状态的，发现钍的化合物也会发射出像铀那样的射线。她开始对散发射线的能量使用“放射性”这一术语。

接着，玛丽检测了内含钍和铀的矿石——沥青铀矿、硫铜矿和天然氧化铀，对它们进行了静电试验。在测量它们的放射性时，她发现其中的放射性要比预计存在钍和铀含量中的强得多。她把已知的化学元素一一检测过，没有发现任何元素有这样强大的放射性。经过无数次实验之后，玛丽得出一个惊人的结论：在这些矿物质中存在着一种威力强大的放射性物质。她断定这种物质是一种新的元素。1898 年4 月12 日，玛丽在给科学院的一份报告中宣布，在沥青铀矿中可能存在着一种新的威力强大的放射性元素。玛丽·居里正在开创原子时代。

在这个时刻，比埃尔暂时停下自己对结晶体的研究，开始与年轻的妻子同心协力，共同探寻这一新的元素。经过千百次试验之后，他们发现，正在探寻的这个新元素的含量是微乎其微的，仅占沥青铀矿的百万分之一！这一天，她心情激动地去看她的姐姐。“你知道吗，波萝妮亚，”她说，“我所不能解释的那种射线是一种新的化学元素发出来的。它就在那里，我要把它抓出来！”