El trabajo de ambos dio frutos; descubrieron dos nuevos elementos químicos:
el polonio y el radio. Gracias a esto, en 1903 el matrimonio recibió el premio Nobel de Física y ese mismo año, ella obtuvo el doctorado en su alma máter, la Universidad de La Sorbona, institución académica donde más tarde, en
1906, se convirtió en la
primera mujer en dar clases en dicha universidad, al sustituir a su marido,
Pierre Curie, quien murió ese año en un accidente de tránsito. Él padecía una grave enfermedad por la exposición a la radioactividad. Algunos autores mencionan que Marie sufrió un aborto involuntario en 1903, que también pudo haber estado relacionado con la exposición radioactiva.