Пьер и Мария Кюри представили доклад о том, что кроме урана существуют и другие радиоактивные элементы
Исследователи, работавшие с солями урана, уже знали, что фотографические пластинки лучше держать от них подальше, иначе по неизвестной причине пластинки оказывались засвеченными. Французский физик Антуан Анри Беккерель задался целью изучить это явление — его отец ранее открыл факт светового излучения в невидимой для глаза ультрафиолетовой области. После серии экспериментов, проведённых в темноте, Анри Беккерель обнаружил, что изучаемый феномен никак не связан со взаимодействием соли урана и солнечного света, а что им наблюдается новое излучение, радиация вещества, — явление, получившее впоследствии название «радиоактивности».
Оказалось, что радиацией обладают все имевшиеся у исследователей соединения урана, причём их радиоактивность не зависит от температуры — по крайней мере, в диапазоне от −200 до +200 градусов Цельсия. К тому же выяснилось, что «урановое» излучение, подобно рентгеновскому, приводит к ионизации воздуха.
Мария Кюри побудила Пьера провести сравнение соединений урана, полученных из разных месторождений, по интенсивности их радиации — соли урана в то время использовались для получения цветного стекла.
Не имея лаборатории и работая в помещении институтской кладовки, а позже в сарае на улице Ломон в Париже, с 1898 по 1902 годы супруги Кюри переработали восемь тонн уранинита.
Методом их работы было измерение степени ионизации воздуха, интенсивность которой определялась по силе тока между пластинами, на одну из которой подавалось напряжение 600В. Оказалось, что образцы руды, доставленные из месторождения Йоахимсталь в Чехии, демонстрируют вчетверо более сильную ионизацию, чем другие. Супруги Кюри не прошли мимо этого факта и попытались установить, даёт ли то же по составу соединение урана, полученное искусственно, такой же эффект повышенной ионизации воздуха — результат оказался отрицательным. Этот эксперимент 1898 года дал основание предположить, что исследователи имеют дело с присутствием ещё одного радиоактивного вещества помимо урана. Производя изучение выделенных различными химическими методами фракций урановой руды, Кюри выявили такую, которая имела в миллион раз более сильную радиоактивность, чем чистый уран.
Однажды Кюри обнаружили, что выделенная ими фракция светится. Спектральный анализ показал, что в спектре присутствуют линии излучения неизвестного до тех пор элемента, который был назван супругами радием. Им удалось выделить одну сотую грамма нового вещества. В том же 1898 году был открыт полоний — элемент, названный в честь Польши, родины Марии Кюри.
Тогда же перед супругами встал вопрос о патентовании своего открытия. И они решили не предпринимать никаких шагов в этом отношении, предоставив своё открытие безвозмездно на пользу человечества.
В 1903 году Мария и Пьер Кюри совместно с Анри Беккерелем получили Нобелевскую премию по физике «за выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». Руки супругов Кюри покрылись ранами от постоянного контакта с радиоактивными образцами, что послужило возникновению идеи об использовании радия в медицинской практике. Это обстоятельство было подчёркнуто Пьером Кюри в его Нобелевской речи.
После гибели мужа в результате трагической случайности Мария Кюри назначена на его место в Парижском университете и с головой ушла в работу.
В 1910 году ей удалось в сотрудничестве с Андре Дебьерном выделить чистый металлический радий, а не его соединения, как прежде. Таким образом, был завершён 12-летний цикл исследований, в результате которого было неоспоримо доказано, что радий является самостоятельным химическим элементом.