Sie war der festen Überzeugung, dass es von einer Aktivität der Atome selbst ausgehen musste und nicht durch chemische Reaktionen hervorgerufen wurde. Sie schlug vor, die unbekannte Strahlung "Radioaktivität" zu nennen. 1903 erhielt sie für ihre Entdeckungen gemeinsam mit ihrem Mann Pierre und Henri Becquerel den Nobelpreis für Physik. Ursprünglich waren nur ihr Mann und Becquerel nominiert gewesen, aber ihr Mann setzte sich auch für ihre Auszeichnung ein. 1906 kam Pierre Curie bei einem tragischen Unfall ums Leben. Sie übernahm daraufhin seinen Lehrstuhl an der Sorbonne und wurde die erste Professorin der Pariser Universität, nachdem sie dort vorher "nur" als Assistentin ihres Mannes angestellt gewesen war. In ihren späteren Forschungsjahren widmete sich Marie Curie der Erforschung der chemischen, physikalischen und biologischen Wirkungen der radioaktiven Strahlung und begründete damit die Radiochemie. Außerdem schrieb sie Beiträge zur medizinischen Röntgenologie. 1911 erhielt sie für ihre radiochemischen Arbeiten zum zweiten Mal den Nobelpreis, diesmal für Chemie. Damit ist sie bis heute die einzige Frau, der zwei Nobelpreise verliehen wurden. Im ersten Weltkrieg setzte sie sich massiv für die Verwendung von Röntgenstrahlen bei medizinischen und chirurgischen Eingriffen ein, organisierte Röntgeneinrichtungen und bildete unermüdlich Techniker für ihre Nutzung aus. 1922 wurde sie als erste Frau in die französische Akademie der Medizin aufgenommen (1911 hatte man ihr die Aufnahme in die Akademie der Wissenschaften verwehrt). Marie Curie starb an Leukämie, eine Folge ihres Umgangs mit den radioaktiven Substanzen, deren Gefahren zu dieser Zeit noch unbekannt waren.

Marie Curies eine Tochter Irène wurde später selbst eine berühmte Physikerin, die in die Fußstapfen ihrer Mutter trat und 1935 ebenfalls den Nobelpreis für Physik erhielt (für ihre mit ihrem Mann Jean-Frèdèric Joliot zusammen gemachte Entdeckung der künstlichen Radioaktivität).