Elle commence, fin 1896, à étudier l’uranium grâce à des techniques mises au point par son mari.
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. 
En 1898, Pierre Curie la rejoint dans ses travaux de recherche. 