Когато завършва гимназия, Мария се уговаря с по-голямата си сестра Бронислава да си помогнат взаимно, за да продължат образованието си. Мария обещава в продължение на 5 години да работи като гувернантка, за да издържа сестра си, докато  завърши медицинския институт в Париж. След това Бронислава трябва да поеме висшето образование на сестра си. Броня получава медицинско образование и става лекар. Вече омъжена за свой колега доктор, също поляк, тя вика сестра си при себе си в Париж, за да живее при тях. През 1891 г. Мария пристига във Франция и се записва във факултета по естествени науки на Сорбоната. Скоро след това си наема малка  квартира. Учи през деня и преподава вечер.

През 1894 г. завършва образованието си по математика, но продължава да учи физика и работи в индустриална лаборатория. Същата година в живота й се появява Пиер Кюри. Той е инструктор в училището по физика и химия в Париж. Мария вече е започнала да изследва магнитните свойства  на различни метали и двамата имат общи научни интереси. Скоро се влюбват. Мария се връща през лятото в Полша, тъй като все още смята, че ще може да работи там. В Краковския университет обаче

отказват да я приемат за преподавател само защото е жена.

Мария се връща в Париж и през 1895 г. се омъжва за Пиер. Двамата съпрузи физици почти не излизат от лабораторията си. Те имат общи интереси и хобита, правят дълги разходки на колела и обожават пътуванията в чужбина, които ги сближават още повече.

През септември 1897 г. се ражда дъщеря им Ирен, а 3 месеца по-късно Мария завършва изследванията си върху магнетизма и започва да си търси тема за дисертация.  Само година по-рано Анри Бекерел  открива, че ураниевите соли излъчват дълбоко проникващо лъчение. Той демонстрира, че това не зависи от външен източник на енергия. Всъщност Бекерел е открил естествената радиоактивност.

Очарована от откритието, Мария Кюри решава да проучи ураниевите лъчи като възможна теза за дисертацията си.  Започва работата си в началото на 1898 г., като се опитва  да установи съществуват ли други вещества освен урана, които да изпускат такива лъчи. След експерименти стига до извода, че от известните елементи радиоактивни са само уранът, торият и техните съединения. 

По време на изследванията си Мария обаче установява, че урановата руда уранинит има много по-голямо излъчване от самия уран, което я навежда на мисълта, че в нея има и други елементи. Съпругът й е толкова заинтригуван, че прекъсва собствените си изследвания и започва да помага на жена си в опитите. На 14 април 1898 г. те мерят 100-грамова проба от уранинит,

после я смилат на ръка с чукче в един хаван.

Двамата учени работят незащитени, тъй като нямат никаква представа от последствията от радиацията. Не знаят и каква цена ще трябва да платят по-късно от ефекта на работата върху здравето им.