בפולין של אז נשים לא התקבלו לאוניברסיטה, ולכן מארי עברה לפריז. עם בעלה פייר היא חקרה קרינה שיוצאת מחומרים מסוימים — היא זו שטבעה את המונח ״רדיואקטיביות״ — וב־1898 הם גילו שני יסודות חדשים: פולוניום, על שם פולין, ורדיום. ב־1903 היא זכתה בפרס נובל לפיזיקה עם פייר ועם אנרי בקרל, וב־1911 בפרס נובל לכימיה.
אלה היו תגליות, לא המצאות — אבל במלחמת העולם הראשונה היא גם יישמה ידע: היא ארגנה רכבים עם מכשירי רנטגן שהגיעו לפצועים ליד החזית, ולימדה נשים להפעיל אותם. העבודה עם חומרים קורנים בלי הגנה פגעה בבריאותה. בתה, אירן ז׳וליו־קירי, זכתה גם היא בפרס נובל.