Мария стремилась чтобы продолжать образование, но у этого замысла имелись два серьезных препятствия: семья была бедной и, кроме того, в Варшавский университет было запрещено принимать женщин. Для этого она целых пяти лет служила гувернанткой, чтобы дать старшей сестре Брониславе возможность получить медицинское образование в Париже и позже пригласить Марию к себе. В возрасте двадцати четырех лет Мария уехала во Францию, где начала учебу на факультете естественных наук в Сорбонне. Мария смогла завоевать звание одной из лучших студенток, получив сразу две специальности – физика и математика. В 1893 г. она закончила обучение и получила степень лиценциата по физике Сорбонны, а позже и по математике. В связи с ее успехами, ей была предоставлена возможность продолжать собственные исследования.
В 1894 году Мария в первый раз встретила Пьера Кюри, который руководил лабораторией при Муниципальной школе промышленной физики и химии. Кроме этого он вел свои собственные исследования, посвященные физике кристаллов, а также изменениям магнитных свойств различных веществ в зависимости от температуры. Мария же в это время занималась свойствами намагниченной стали. Примерно спустя год после знакомства Мария и Пьер сочетались браком. В сентябре 1897 года на свет появилась их дочь Ирен. Тремя месяцами позже Мария закончила свои исследования и всерьез задумалась над темой для диссертации.
В течение двенадцати лет Мария и Пьер они исследовали и обосновывали теорию радиоактивности, исследуя различные свойства урановой руды. Исследования длились около четырех лет, причем работали супруги Кюри в самых некомфортных условиях. Химическим разделением веществ приходилось заниматься в холодном сарае, где постоянно были сквозняки. Лаборатория Муниципальной школы также плохо подходила для сложнейшего химического анализа. В 1900 г чтобы заработать на жизнь, Мария начала преподавать физику в высшей школе в Севре. В этом же году к ним переехал отец Пьера, чтобы помогать с внучкой.
В 1902 г. исследования, посвященные радиоактивности, наконец, увенчались успехом. Супругам Кюри удалось выделить небольшое количество хлорида радия из урановой руды. Фантастическое вещество, испускавшее теплоту и голубоватое свечение, сразу получило известность во всем мире. Пьер и Мария получили заслуженные признание и награды.
В июне 1903 г. в Сорбонне Мария Кюри представила свою докторскую диссертацию, которая была посвящена исследованиям радиоактивных веществ. Комитет, который присудил Марии ученую степень, единодушно решил, что эта диссертация является величайшим вкладом в науку. В том же 1903 г. Шведская королевская академия вынесла решение вручить Пьеру и Марии Кюри нобелевскую премию. Марию можно по праву назвать первой женщиной, ставшей обладательницей этой награды. Но из-за болезни Пьер и Мария Кюри не смогли прибыть в Стокгольм на мероприятие по вручению и получили премию лишь летом следующего года. Также они на себе испытали воздействия радия на человеческий организм. Прежде чем понять, что обращение с радиоактивными веществами требует особой осторожности, они уже успели получить ожоги. Именно супругам Кюри принадлежит гипотеза, что радий можно использовать при лечении опухолей. Несмотря на то, что все сразу признали исцеляющее действие радия, Пьер и Мария отказались запатентовать свое открытие и были против его коммерческого использования. Подобное, считали они, не соответствует свободному духу науки, препятствует широкому доступу к знаниям. В 1904 г. Пьер Кюри стал профессором физики в Сорбонне, а Мария – заведующей его лабораторией. В декабре того же года на свет появилась их вторая дочь Ева, она стала известна как пианистка и автор биографии своей матери.
