Durant l'enfance de Marie Curie, les études furent un refuge suite aux deuils de sa soeur Zofia, emportée par le typhus alors que Marie à 9 ans et de sa mère, atteinte de tuberculose, deux ans plus tard. Elle excelle dans toute les matières.
Le 3 novembre 1891, elle s'inscrit pour des études de physique à la faculté des sciences de Paris. Parmi les 776 étudiants de la faculté des sciences en janvier 1895, il se trouve 27 femmes.

Elle rejoint début 1894 le laboratoire des recherches physiques de Gabriel Lippmann, au sein duquel la Société d'encouragement pour l'industrie nationale lui a confié des travaux de recherche sur les propriétés magnétiques de différents aciers. Elle y travaillait dans des conditions étroites et recherche donc une façon de mener à bien ses propres travaux. Le professeur Józef Kowalski de l'Université de Fribourg lui fait alors rencontrer lors d'une soirée Pierre Curie, qui est chef des travaux de physique à l'École municipale de physique et de chimie industrielles et étudie également le magnétisme, avec lequel elle va travailler.
Lors de cette collaboration se développe une inclination mutuelle entre les deux scientifiques. Marie rentre à Varsovie, pour se rapprocher des siens, et dans le but d'enseigner et de participer à l'émancipation de la Pologne, mais Pierre Curie lui demande de rentrer à Paris pour vivre avec lui. Le couple se marie à Sceaux, le 26 juillet 1895.

Elle commence en 1897 ses travaux de thèse sur l'étude des rayonnements produits par l'uranium, à ce moment-là encore appelés rayons uraniques car on les croit spécifiques à cet élément. Elle s'attache à quantifier les capacités ionisantes des sels d'uranium, dans un atelier rudimentaire mis à sa disposition par le directeur de l'École municipale de physique et de chimie industrielles.
Marie Curie obtient en 1898 le prix Gegner de l'Académie des sciences, d'un montant de 4 000 francs, pour ses travaux sur les propriétés magnétiques des métaux. Elle obtiendra ce prix à deux autres reprises, en 1900 puis en 1902.
En 1898, Pierre laisse de côté ses travaux sur la piézoélectricité pour rejoindre sa femme sur son étude de la radioactivité.
Leur but est d'isoler de roches radioactives les éléments à l’origine du rayonnement inconnu. Grâce à un financement inespéré, ils font venir de Joachimsthal, en Bohême, quelques tonnes de pechblende dans leur laboratoire de Paris. Le raffinage du minerai, procédé dangereux exigeant la plus grande précision, est réalisé dans un hangar qui se trouve à côté de l’atelier, séparé uniquement par une cour. Ils découvrent effectivement deux nouveaux éléments. Le 18 juillet 1898, Marie Curie annonce la découverte du polonium, quatre cents fois plus radioactif que l'uranium, nommé ainsi par l'Académie des sciences en référence à son pays d’origine, la Pologne. Le 26 décembre, avec Gustave Bémont qui les a rejoints, elle annonce la découverte du radium, neuf cents fois plus rayonnant que l'uranium ; il aura fallu traiter plusieurs tonnes de pechblende pour obtenir moins d’un gramme de cet élément. Ces extractions, faites à partir de tonnes de minerai, sont effectuées dans des conditions difficiles, dans des locaux dépourvus de tout confort. Le chimiste allemand Wilhelm Ostwald, visitant le lieu de travail de Pierre et Marie Curie, déclare : « Ce laboratoire tenait à la fois de l’étable et du hangar à pommes de terre. Si je n’y avais pas vu des appareils de chimie, j’aurais cru que l’on se moquait de moi ».

En juillet 1902, elle obtient un décigramme de chlorure de radium , qui lui permet d'identifier la position de cet élément dans le tableau de Mendeleïev.
Le 10 décembre 1903, Marie Curie reçoit avec son mari Pierre Curie et Henri Becquerel, le prix Nobel de physique « en reconnaissance de leurs services rendus, par leur recherche commune sur le phénomène des radiations découvert par le professeur Henri Becquerel1 ». Pour des raisons de santé, Pierre et Marie Curie devront attendre près d'un an avant de pouvoir se déplacer à Stockholm pour chercher le prix. Elle est la première femme à recevoir un prix Nobel, et les archives du Comité Nobel montrent que la proposition transmise par l'Académie des sciences française ne contenait que les noms d'Henri Becquerel et de Pierre Curie : il aura fallu l'intervention de celui-ci, à la suite de l'indiscrétion d'un académicien suédois, pour que le nom de Marie soit ajouté.

Elle devient la première femme en France directrice d'un laboratoire universitaire.
Marie Curie est chargée du cours le 1er mai 1906 en remplacement de Pierre, devenant la première femme professeur à la Sorbonne. Sa leçon inaugurale a lieu le 5 novembre 1906 dans l’amphithéâtre de physique de la faculté des sciences à la Sorbonne où se pressent journalistes, artistes, personnalités politiques et femmes du monde.
Elle est nommée professeur titulaire de la chaire le 16 novembre 1908. L'intitulé de la chaire devient ensuite physique générale et radioactivité.