El juliol de 1898, Marie va publicar un document on feia pública l'existència d'un nou element, el Poloni, anomenat en honor al seu país de naixement.  El 26 de desembre de 1898, els Curie van anunciar que havien descobert un nou element, el radi, anomenat així per la intensa radioactivitat que tenia, paraula que ella mateixa va inventar. El matrimoni Curie va intentar separar la sal de radi mitjançant el procés de cristal·lització diferencial, cosa molt difícil en aquells temps.D'una tona de pechblenda (un mineral que conté radi), el 1902, van aconseguir separar una desena part d'un gram de clorur de radi. El 1910, Marie, sense el seu marit que havia mort el 1906, va ser la primera persona en aïllar el radi pur.

L'any 1911 va rebre el Premi Nobel de Química: en reconeixement als seus serveis en l'avanç de la química pel descobriment dels elements radi i poloni, l'aïllament del radi pur i l'estudi de la naturalesa i compostos d'aquest element.