Nel 1903 è la prima donna insignita del premio Nobel. Riceve il premio Nobel per la fisica, insieme al marito Pierre Curie e ad Antoine Henri Becquerel, per i suoi studi sulle radiazioni. Nel 1911 le viene assegnato un altro premio Nobel, questa volta per la chimica per aver scoperto radio e polonio, il cui nome è stato scelto proprio in onore della sua terra natale. È stata una dei cinque vincitori del Nobel ad averne ricevuti due ed è la sola ad aver vinto il premio in due distinti campi scientifici.
Marie Curie scopre il polonio e il radio, un minerale tanto pericoloso e radioattivo.
Il polonio però ha un'attività eccessiva, una vita troppo breve perché ne sia possibile l'estrazione su scala industriale; per questo il radio eclisserà ben presto la sua gloria. Ma il polonio ha una particolarità che le darà occasione di rivincita 34 anni dopo. Emette un solo raggio: il raggio alfa ad alta energia, mentre il radio ne emette molti. Nel 1932, servendosi di una sorgente di polonio, James Chadwick scoprirà una delle tre particelle che compongono l'atomo, che cercava da dieci anni: il neutrone.
Due anni più tardi le viene assegnata la cattedra di fisica generale, divenendo così la prima donna ad insegnare alla Sorbona. Muore in Francia nel 1934 per un'anemia aplastica, causata dalle radiazioni a cui il suo corpo è stato per lungo tempo esposto e di cui ha sempre negato la pericolosità.