Existenci těchto prvků dokazovalo však jen radioaktivní záření. Bylo proto nutné získat jejich jednoduché sloučeniny a určit jejich atomovou váhu. V letech 1899 až 1902 zpracovali téměř deset tun uranové rudy z Jáchymova, aby získali jediný miligram chloridu radnatého - v „laboratoři“, jež byla vybudována ve staré kůlně. V roce 1903 Marie dokázala existenci radia a určila jeho atomovou váhu a v roce 1910, čtyři roky po tragické smrti svého manžela, pak s kolegou Andre Debiernem izolovala radium v kovovém stavu.
Jako uznání jejích zásluh o rozvoj chemie, za objev prvků radia a polonia, za charakteristiku vlastností radia a jeho izolaci v kovovém stavu, jakož i za výzkum povahy tohoto důležitého prvku a jeho chemických sloučenin, jí byla v následujícím roce udělena Nobelova cena za chemii. Byla to již její druhá Nobelova cena. Tu první, za fyziku, získala v roce 1903 spolu se svým manželem a Antoinem Henrim Becquerelem za mimořádné zásluhy ve výzkumu záření, které objevil Becquerel.
Oba manželé byli velmi úspěšní
Pierre Curie se s Mariií Sklodowskou seznámil na pařížské univerzitě, kam musela varšavská rodačka z učitelské rodiny emigrovat, protože jí za účast v revolučním studentském kroužku hrozilo pronásledování. Také se zajímala o fyziku a chemii, k níž ji přivedl přítel rodiny Sklodowských ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendělejev. V roce 1891 Sklodowská složila jako první žena v historii přijímací zkoušky na fakultu fyziky a chemie pařížské Sorbonny.
Pierre Curie podnikl první významné kroky ve vědě se svým starším bratrem Jacquesem, se kterým zkoumal vlastnosti krystalů. Zahynul v dubnu 1906 v nedožitých 47 letech, když vstoupil na jedné z pařížských ulic v zamyšlení pod rozjetý povoz. Curieová-Sklodowská po válce nadále vedla Institut radia v Paříži, který byl díky ní založen, a pod jejím osobním vedením byly prováděny první výzkumy léčby rakoviny pomocí radioaktivity. Zároveň cestovala po světě, kde její nadace pomáhala zakládat lékařské ústavy pro léčbu rakoviny. V roce 1925 navštívila Curieová-Sklodowská i důl Svornost v Jáchymově. Zemřela ve svých 66 letech v červenci 1934 na následky radioaktivního záření.
Dcera manželů Curieových Iréne Curieová-Joliotová taktéž získala Nobelovou cenu za chemii v roce 1935 společně se svým manželem Frédéricem Joliotem za objev umělé radioaktivity. Zemřela v březnu 1956 ve svých 58 letech na leukémii způsobenou ozářením při výzkumu radioaktivity.