En 1898, Pierre Curie la rejoint dans ses travaux de recherche. 
Ils découvrent en outre deux nouveaux éléments radioactifs, qu’ils baptisent polonium et radium.
Les deux époux travaillent dans le même laboratoire et parviennent à déterminer quels éléments chimiques sont à l’origine des rayonnements observés par Henri Becquerel, qu’ils nomment radioactivité. 