19世纪末，正当物理学家们为经典物理学的辉煌胜利举杯祝贺时，正当一部分科学家宣称物理学的大厦已经最初建成之时，从1895年（正是玛丽和皮埃结婚的那一年）起，一系列从未预料到的伟大发现突然迅速地相继涌现。首先是1895年12月德国物理学家伦琴发现X射线；接着，法国物理学家贝克勒尔于1896年3月发现铀元素的天然放射性；再过一年，英国的物理学家J．J．汤姆逊又发现了电子……这一系列发现，在物理学家、化学家面前展示出了一个光怪陆离、变幻莫测的神奇世界。
关于贝克勒尔发现放射性元素的消息报道后，并没有在科学界引起轰动。而此时居里夫人正面临的一个任务，是选择博士论文研究的课题，于是她在大量文献中寻找她感兴趣的研究课题。在阅读了近几年的科学期刊后，居里夫人注意到了贝克勒尔教授的关于铀射线的论文。这种铀射线颇有点神秘兮兮的，而且有一个问题让她不明白：铀射线的能量是从哪儿来的？这个问题也是一直以来困扰贝克勒尔和许多科学家的一个问题。玛丽觉得这个问题很值得研究。她曾说过：这项研究很有吸引力，它是全新的，还没有人做过深入的研究。在与皮埃商量了以后，她决定以这个问题作为自己博士论文的研究课题。
居里夫人的决定聪明而又大胆。首先，这个能量来源的问题十分棘手，用已有的科学概念几乎无法对它做出解释，可玛丽偏偏选中这种难度大、内容新颖的研究课题，非大智大勇者不敢为也！其次，当时世界上还没有任何一个女人想要成为理科博士，她明白，要想同男人建立平起平坐的关系，她的论文必须有独特的内容和实质性的科研成果。再次，居里夫人也许是怀着又惊又喜的心情发现，贝克勒尔的重要发现尚未被人们重视，几乎还没有人做进一步的研究，因此选这个题目做研究，取得成功的机会会比较大。但与此相随的困难是参考文献太少，几乎一切都得自己从头干起。玛丽还发现除了贝克勒尔1896年提交的几篇学术报告以外，再也找不到其他参考资料了。
1897年底，居里夫人在皮埃的帮助下，在理化学校找到了一间以前用来存放东西的小房间作为她的实验室。刚启用时，房里到处是厚厚的灰尘，霉气的味道足可以让人闻了就立即作呕，而且，可以说什么仪器都没有。居里夫人对这些困难都不在乎，她为有了可以做实验室的地方而满心喜悦：“好了，我开始有了自己的第一个实验室！”
是的，这儿的确是居里夫人的“第一个实验室”。以后她又换过许多次实验室，但这儿却是起点站，而且她要研究的是如此重要的课题，因此，她兴奋而满意的心情是完全可以理解的。把必需的仪器筹备得差不多以后，居里夫人立即开始着手重复贝克勒尔做过的实验——测铀射线的强度，可是这些方法无法做出定量的控制和测量。其实，贝克勒尔在发现铀元素的天然放射性的时候，就发现它有3种效应：可以使照片底片感光、可以使气体电离、对不同的物质具有不同的穿透力。但可惜的是他在发现新的辐射现象后，由于继续沿用照相法进行测定，而无法做出定量分析，从而完全忽略了另外两种效应。居里夫人的高明之处，是她利用了新放射性的电离效应，从而可以用补偿法测出铀射线的强度。
通过以上非常细致和耐心的测量，她证实了铀射线的强度仅与铀化合物中铀的含量成正比，与化合物的组成无关，也不受光照、加热、通电等诸多因素的影响。这样，居里夫人进一步证实了贝克勒尔的结论：铀射线的发射是一种原子过程。
当居里夫人精确地、定量地测定了铀射线以后，她作为一位优秀科学家的素质在这时充分地显露出来了。她越是研究得深入，越是感到铀射线具有一种非同寻常的性质，与以前所有的研究结果大不相同，于是，她正好在贝克勒尔止步的地方勇敢地向前迈出了—步，即，虽然现在只观察到铀可以自动发射“铀射线”，但是并没有任何理由可以证明只有铀元素是惟一能发出这种射线的化学元素。别的元素就不能发射这种射线吗？贝克勒尔也许是由于一种偶然的原因先在铀元素里发现了它，但若因此就把它设定为只有铀元素才具有的发射本领，那未免有些以偏概全了。
于是，她决定检查“当时知道的所有元素”。她先找来几种矿石和化学物品，一一做了试验。1898年初取得的初步结果表明，绝大多数材料的游离电流小于0．3×10-12安培，而沥青铀矿石可达到83×10-12安培，氧化铁可达到53×l0-12安培。这样，居里夫人就得出了一个结论：钍也是一种放射性元素。她在4月12日的报告中写道：
我们研究了贝克勒尔发现的空气在铀射线作用下导电率改变的情况，想弄明白，除了铀化合物以外，其他物质是否也可以使空气获得导电的能力……两种铀矿物——沥青铀矿（氧化钢）和铜铀云母（磷酸铜和磷酸钠酸）的放射性要比铀本身强得多。这个事实是非常值得注意的，它使人不得不认为，在这些矿物中显然含有某种元素，而且它的放射性比铀大得多……钍化合物的放射性是很强的。氧化钍的放射性甚至超过金属铀的放射性。钍射线的穿透本领也比铀射线大。
在这关键时刻，居里夫人在思想上发生了一个飞跃。她甚至还产生了一个大胆的设想：既然放射性是一种原子特性的表现，那么更强的放射性当然表明有新元素的存在。
这种推理十分合乎逻辑，但它仍然只是为新的放射性元素的存在提供一种推断，进一步的任务当然就是要找到这种新的元素。居里夫人那种说干就马上干、要干就干到底的刚毅气质，这时充分显示出了它的作用。她知道要从矿石中提炼出这种极其微量的元素绝非轻而易举的事，但她下定决心要投入到这一艰难而又意义重大的化学分析中去。发现一种新元素，这是一个色彩斑斓的、美丽的梦想，是一个非常吸引人的研究目标！从古到今几千年，也不过才发现80种左右的元素，每种新元素都使发现它的幸运者在科学史上永久驰名，如果她能再增添一种，那该是一件多么有价值的、多么吸引人的研究啊！
皮埃这时也认识到了玛丽的研究有重大价值，于是决定暂时中断他自己在晶体方面的研究，与她合作共同寻找这隐藏得很深、很巧妙的未知元素。
皮埃没料到的是，他的这一“暂停”竟一直延续到他不幸去世为止。从此，在那小小的、潮湿的“实验室”里，有两个人在那儿为人类的科学事业拼搏、奋斗，完全不顾一己的私利，鞠躬尽瘁。死而后已！而且从此他们两人的研究不可能再分辨出“你的”和“我的”了，直到上帝让他们分手。他们的合作，是人类科学史中最美妙的一曲交响乐，至今对人们仍有极大的感召力。
他们以放射性为基础，采用分步结晶这一新的化学方法，从沥青铀矿中分离出新的放射性物质。1898年7月，他们两人开始联名发表文章。他们的第一篇文章的题目是《沥青铀矿中的一种新的放射性物质》。
为了将不同的元素分开，需要很好的设备，但居里夫妇没有，他们只好用“土法”苦干，先用他们的静电计设备测定沥青铀矿矿石成分具有的放射性强度，以此为线索追踪放射性元素隐藏在什么成分中。他们两人在实验室常常是通宵达旦地干，有时连饭也顾不上吃。居里夫人更加辛苦，她还要给女儿伊伦娜喂奶，一天得往家里跑几次。
几个月过去了，在不知不觉中，实验室窗子射进的阳光开始灼热逼人，原来是夏天来临了。他们没有白费时光，在这几乎和外界断绝来往的几个月里，他们终于将沥青铀矿中所有成分都分离开了。让他们又惊又喜的是：他们发现的不是一种具有放射性很强的化合物，而是两种！其中一种是沥青铀矿中含钡的化合物，另一种是含铋的化合物。这就是说，如果他们的推断合理的话，则一种新元素隐藏在含钡的化合物里，另一种隐藏在含铋的化合物里。
他们又进一步确证，在含铋的化合物中，铋的放射性并非来自铋本身，而是混在铋内的一种极其微量的元素。经过反复实验，他们认为可以利用两种金属溶解度不相同的特点进行再分离。加水使铋盐溶解后，从首先沉淀下来的渣滓中找到了放射性特别强的物质。
新的发现正向他们热情地招手！
他们怀着激动而急迫的心情，加快了工作的进程。到1898年7月的一天，他们终于在铋的化合物里找到了一种新元素。
那天晚上他们回到家时，皮埃发现玛丽陷入了沉思之中，久久地不说一句话，皮埃没有打扰她，知道她一定是在想什么重大的事。突然玛丽激动地抓住皮埃的手说：
“我侨居在远离祖国的土地上，可怜的祖国已经从地图上消失了，但是我要让祖国的名字永远铭刻在人们的记忆中。我想把我们刚刚发现的、在某种意义上来说是被解放了的元素叫做钋。”