Polka poddawała testom na promieniowanie różne minerały. Najpierw odkryła, że próbki zawierające tor lub uran są promieniotwórcze, ale uznała też, że jest coś co poza nimi silnie promieniuje. Kolejne badania utwierdziły ją w przypuszczeniu, że istnieje nowy, nieznany dotąd pierwiastek. Do pracy dołączył wówczas Piotr Curie. Wspólnie starali się znaleźć ten nowy pierwiastek w smółce – jednej z rud uranu. Wykorzystywali w tym celu zwykłą chemiczną analizę. W trakcie badań jasne stało się, że szukają nie jednego, ale dwóch pierwiastków. Rozpoczęli starania o uzyskanie obu wspomnianych pierwiastków w stanie czystym. Kupowali za własne pieniądze duże ilości rudy uranu, a badania prowadzili w starej drewnianej szopie.

Nie było mowy o potrzebnych urządzeniach będących w powszechnym użyciu u chemików. Posiadaliśmy tylko kilka starych stołów sosnowych, piecyków do topienia minerałów i palników gazowych.

– pisała badaczka.

Małżonkowie Curie zbadali promieniowanie emitowane przez rad i polon, stwierdzając m.in., że związki promieniotwórcze świecą, sole radu wydzielają ciepło, zabarwiają porcelanę i szkło, promieniowanie przechodzi przez powietrze i pewne ciała. Pierre Curie poddał swoje ramię kilkugodzinnemu działaniu radu, a powstałą trudno gojącą się ranę obserwował i opisywał. W 1903 r. Maria przedstawiła rozprawę doktorską „Badanie ciał radioaktywnych”. Dodać trzeba także, iż to właśnie Skłodowska wymyśliła słowo „promieniotwórczość".

Maria i Pierre prowadzili wspólnie zapiski ze swych badań, na zmianę wpisując kolejne doświadczenia i wyniki. Mimo tego tylko Piotr został zgłoszony za odkrycie promieniotwórczości do Komitetu Nagrody Nobla. Wobec tego napisał list, w którym stwierdzał:

bym był brany pod uwagę wspólnie z panią Curie, w uznaniu dla naszych wspólnych badań nad ciałami promieniotwórczymi.

Życzenie zostało spełnione i w 1903 roku Maria, Pierre oraz Henri Becquerel otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki.