До этого времени Пьер и Мария в основном интересовались магнетизмом (температура, при которой материалы теряют свои магнитные свойства, была названа «точкой Кюри» в честь Пьера Кюри), но позднее они подружились с еще одним молодым и талантливым французским ученым — Анри Беккерелем. Беккерель унаследовал от отца-физика большую коллекцию фосфоресцирующих минералов. Однажды он обнаружил, что, если кристаллы сульфата урана осветить солнечным светом, а затем поместить на фотопластинку и завернуть в бумагу, при проявлении пластинки можно получить изображение кристалла. Сначала он подумал, что испускаемые кристаллом лучи являются результатом флуоресценции, возникающей под действием солнечного света, но не смог ничего проверить из-за пасмурной февральской погоды. В ожидании солнечных дней он сложил оборудование в ящик стола, однако через некоторое время решил все же проявить снимки, ожидая увидеть размытые изображения. К его удивлению, изображения оказались яркими и четкими, и Беккерель понял, что кристаллы испускали лучи даже без воздействия внешнего источника энергии, такого как солнечный свет. Вскоре он показал, что источником излучения был содержащийся в кристаллах уран и что все соединения урана испускают лучи. Кроме того, он обнаружил, что уран повышает электропроводность окружающего воздуха. Он сообщил о своих удивительных открытиях Кюри, и Мария решила заняться изучением этого странного явления, которое позже в диссертации назвала радиоактивностью.
Мария начала работать с урановой рудой, известной как уранинит (настуран). Они с Пьером поняли, что радиоактивность можно измерить по силе электрического поля, которое это вещество создает в окружающем пространстве, и Пьер сконструировал прибор для определения электрического заряда вокруг минеральных образцoв. С помощью этого инструмента Мария обнаружила, что радиоактивность уранинита была в три раза выше радиоактивности самого урана, и сделала вывод, что в этой руде должна содержаться примесь какого-то неизвестного вещества с гораздо более высокой радиоактивностью. Путем химического разделения компонентов уранинита и определения их радиоактивности она обнаружила новый элемент, радиоактивность которого в 400 раз превышала радиоактивность урана. Она назвала его полонием в честь своей родины. Позднее Мария обнаружила совсем небольшое количество еще одного радиоактивного элемента, который был в миллион раз активнее урана, и назвала его радием. Пьер исследовал влияние образца радия на свою кожу и выяснил, что радий вызывает ожоги и раны. Кюри предположили, что этот элемент может применяться в противораковой терапии. Впервые с этой целью радий использовался уже в 1903 г. С. В. Гольдбергом в Санкт-Петербурге. Радиевые иглы до сих пор применяют для облучения опухолей.
