През юли 1898 г. Мария Кюри и съпругът й публикуват научна статия, в която обявяват съществуването на нов елемент – полоний. Мари го кръщава на родината си Полша, която още 20 години след това ще остане разделена между три империи. През декември същата година семейството обявява откритието и на втори елемент – радий. Наричат го така заради интензивната му радиоактивност, термин, който те измислят сами.

Тъй като двамата съпрузи не били извлекли новите елементи, химиците искат доказателства, че те наистина съществуват.  През следващите години семейство Кюри

работи в примитивни условия в дървена барака –

обработват 1 тон от рудата, за да стигнат до новите елементи. През септември 1902 г. двамата учени обявяват, че са успели да изолират една десета от грам радиев хлорид. Те не успяват да изолират полония. 
Завършвайки изследванията, Мария най-накрая успява да напише своята докторска дисертация на тема „Изследване на радиоактивните вещества”. Представя я в Сорбоната през юни 1903 г.  и академичният свят е изумен от научните опити, описани вътре.

През декември 1903 г. шведската кралска академия присъжда  Нобелова награда по физика на Анри Бекерел и на съпрузите Мария и Пиер Кюри за изследванията им за радиацията. Мария Кюри става първата жена – Нобелов лауреат.

Съпрузите не успяват да отидат лично да получат наградата, защото са болни. С парите от нея помагат на познати в нужда, както и на студенти. Веднага след това Сорбоната кани Пиер Кюри да преподава там и да основе своя собствена лаборатория.  През 1904 г. се ражда и втората дъщеря на семейството – Ев.
Щастливите години свършват през април 1906 г., когато, пресичайки улица в Париж,

Пиер е сгазен от кола, теглена от коне.

Той попада между колелата и черепът му е спукан. Мария е съсипана от смъртта на съпруга си. Тя губи не само своя любим, но и приятел и безценен партньор в изследванията  й.

 През май същата година физическият факултет в Сорбоната решава да запази преподавателското място, създадено за Пиер Кюри, и го предлага на жена му заедно с ръководството на лабораторията. Тя приема и това й помага да излезе като учен от сянката на съпруга си. Мария Кюри става първата жена – преподавател в Сорбоната. С изключително натоварената си програма на изследвания и преподаване в следващите години тя се опитва да осмисли живота си отново.

В лабораторията изследователката съсредоточава усилията си върху извличането на чист радий, а не на неговите съединения. Успява да го направи през 1910 г. На следващата година шведската академия й присъжда втора Нобелова награда – този път за химия. Мари Кюри става първият човек, получил две Нобелови награди. Тя е и един от двамата в историята, удостоен с престижното отличие в две различни сфери. 

Изследователката обаче не успява да спечели всички битки. В края на 1910 г. по настояване на свои колеги Мария Кюри се кандидатира на изборите за един от най-престижните институти в света – Френската академия на науките. Съпругът й е приет там само година преди смъртта си. Членовете на академията обаче

не успяват да се преборят с предразсъдъците си

и кандидатурата й е отхвърлена с два гласа. Ще трябва да минат повече от 50 г., докато през 1962 г. ученичката на Мари Кюри – Маргьорит Пeрe, става първата жена – член на академията.
Кюри използва втората си Нобелова награда, за да убеди френското правителство да основе Радиевия институт, който сега носи нейното име. Мария оглавява отдела за фундаментални изследвания. През Първата световна война обучава военни лекари как да използват методите на радиологията и да откриват шрапнели в тялото на ранения с помощта на рентгенови лъчи. Кюри

настоява за въвеждането на мобилни рентгенови апарати

за лечение на ранени, които стават известни като „Малките Кюрита”. Те работят на основата на капсули с газ радон, който тя извлича при опитите си в лабораторията. За да събере пари за войниците, изследователката дарява златните нобелови медали, които тя и съпругът й са получили.