Homem esquivo, Pierre vivia exclusivamente em função da física, dedicando à pesquisa todo o seu tempo. Essa situação mudou, porém, quando conheceu uma jovem polonesa - Marja Sklodowska - que, em 1891, com apenas 24 anos, havia deixado sua cidade natal - Varsóvia - e procurado em Paris um clima mais compatível com sua inteligência e seus ideais científicos. Apesar de uma série de fatores adversos que tivera de enfrentar, matriculara-se na Sorbonne.
Entre Pierre e Marja - agora Marie - as afinidades eram perfeitas, tanto sob o aspecto social, como do ponto de vista científico.
Marie, ao lado do homem, via também um físico eminente a quem poderia pedir opinião. Pierre, por sua vez, reconhecia a inteligência de Sklodowska, seu raciocínio rigoroso e principalmente, uma acentuada vocação para a pesquisa. Nessa altura Pierre já havia conquistado certo renome científico, tanto na França como no exterior. Marie era apenas uma estudante de física e matemática. Mas, entre os dois, desenvolveu-se uma amizade profunda, consolidada um ano depois com o casamento. Nesse mesmo ano, 1895, Pierre defendia sua tese de doutoramento sobre magnetismo a temperaturas variáveis.
Marie publicava os resultados de suas primeiras pesquisas e preparava sua tese de doutoramento. Foi atraída pelos trabalhos de Becquerel, que, dois anos antes, descobrira que um minério de urânio, colocado sobre uma chapa fotográfica envolta em papel preto, produzia uma impressão análoga à que poderia produzir a luz. Becquerel percebeu que essa impressão era devida a uma radiação que atravessava o papel. Essa propriedade não dependia de uma insolação preliminar e persistia quando o minério era conservado no escuro durante meses. Mas de onde provinha a energia emitida em forma de radiação pelos minerais de urânio?
Pierre e sua companheira deram mais um passo à frente. Em uma comunicação à Academia de Ciências, a 12 de abril de 1898, anunciaram que a pechblenda - óxido de urânio - era bem mais ativa que o próprio metal. Tal fato levava a crer que o minério continha, além do urânio, outro elemento.
O casal, porém, tinha razões suficientes para acreditar que a presença do polônio não explicava o excesso de radiatividade do minério. Impunha-se repetir toda a tarefa que conduzira à descoberta do polônio. E, novamente, os resultados foram positivos. Não havia mais segredos na radiatividade da pechblenda. Quase no final de 1898, uma comunicação assinada por Marie, Pierre e seu colaborador G. Bémont anunciava a descoberta do segundo elemento radiativo - o rádio.
Um mês depois nasceu a segunda filha Ève -, que seria pianista e, mais tarde, escritora, tendo como obra de maior repercussão a biografia de sua mãe.
Durante a Primeira Guerra Mundial organizou centros de assistência radiológica para os feridos. Em 1918, restabelecida a paz, Marie retorna a suas pesquisas. Começaram, então, as viagens ao estrangeiro. Em 1921, acompanhada por lrène, visitou os Estados Unidos, onde recebeu das mulheres americanas 1 grama de rádio, que doou ao Instituto Curie de Radioterapia, criado na França. Alguns anos mais tarde chegou mais 1 grama, dessa vez destinado ao Instituto de Rádio de Varsóvia, que Madame Curie dirigia de Paris. Em agosto de 1926, o Brasil também conheceu a famosa cientista.