Henri Becquerel, étudiant les rayons X, venait de constater qu'un sel d'uranium impressionne une plaque photographique malgré des enveloppes protectrices. Comprendre l'effet, l'énergie de ces rayons uraniques, quel meilleur sujet pour Marie ? Pierre acquiesce. Sa frêle épouse brasse des tonnes de minerai et s'aperçoit qu'une autre substance, le thorium, est « radioactive », terme de son invention. Ensemble, ils prouvent - découverte majeure - que la radioactivité n'est pas le résultat d'une réaction chimique mais une propriété de l'élément, en fait de l'atome. Marie étudie alors la pechblende, minerai uranique dans lequel elle mesure une activité bien plus intense qu'en la seule présence d'uranium. Elle en déduit qu'il existe d'autres matières que l'uranium, très radioactives, le polonium et le radium, qu'elle découvre en 1898.

Lors des expériences, Pierre observe les propriétés des rayonnements et Marie purifie plutôt les éléments radioactifs. Leur point commun : une rare ténacité. D'autant plus que leurs conditions de vie sont déplorables. Leur laboratoire ? Un hangar misérable, où, l'hiver, la température frôle les six degrés. « Cela tenait de l'écurie et du cellier à pommes de terre », dira un chimiste. Pourtant, avoue Marie : « L'une de nos joies était d'entrer la nuit dans notre atelier ; alors nous percevions de tous côtés les silhouettes lumineuses des flacons et des capsules qui contenaient nos produits. » Malgré leur difficulté à obtenir avancements et crédits, les Curie refusent de déposer un brevet qui aurait pu les protéger financièrement, car permettre à tout scientifique, français ou étranger, de trouver des applications à la radioactivité est à leurs yeux prioritaire.

Pierre teste le radium sur sa peau. Brûlure, puis plaie : l'action sur l'homme est prouvée. Bientôt le radium sert à traiter les tumeurs malignes. La curiethérapie est née. En 1903, Marie soutient sa thèse. En commun avec Becquerel, les Curie reçoivent le prix Nobel de physique pour leur découverte de la radioactivité naturelle. Bonheur de courte durée.