У 1895 р. Рентген відкрив нові промені, що виходять з пустотної трубки, у якій створювалися катодні промені (потоки електронів, як потім виявилося). У місці удару катодних променів об скляну стінку стекло світиться зеленим світлом, і звідси ж виходять рентгенівські промені. Анрі Пуанкаре припустив, що джерелом променів служить саме світіння скла, і, судячи з його особистих розповідей, рекомендував Рентгену подивитися, чи випускають подібні промені усі світні (фосфоритні) тіла. Рентген уже знав на основі своїх досвідів, що випущення рентгенівських променів не зв'язано зі світінням стінок трубки. Ще краще виходили промені, коли катодні частки вдарялися об платиновий антикатод, не викликаючи в ньому видимого ока світіння. Однак указівку Пуанкаре підхопив Анрі Беккерель і став вивчати давно відоме світіння уранових руд. Виявилося, що це світіння, подібно рентгенівським променям, супроводжується випущенням променів, що проходять крізь чорний папір і викликають почорніння фотографічної пластинки.

У 1896 р. Анрі Беккерель знайшов, що уранові з'єднання випускають глибоко проникаюче випромінювання. На відміну від рентгенівського, відкритого в 1895р. , випромінювання Беккереля було не результатом порушення від зовнішнього джерела енергії, наприклад світлом, а внутрішньою властивістю самого урану. Зачарована цим загадковим явищем і приваблювана перспективою покласти початок нової області досліджень, Кюрі вирішила зайнятися вивченням цього випромінювання, який вона згодом назвала радіоактивністю. Приступивши до роботи на початку 1898 р., вона насамперед спробувала установити, чи існують інші речовини, крім з'єднань урану, що випускають відкриті Беккерелем промені.

Що ж є джерелом безупинного випущення променів і безупинної, отже, втрати енергії? Це питання і поставила собі мадам Кюрі, коли залучила до цього дослідження свого чоловіка. Методика, що застосовувалася при вивченні відкритих їм явищ п'єзоелектрики, була покладена в основу вивчення нового явища: кількісною мірою променів служив струм, що проходить під їхнім впливом крізь повітряний конденсатор. Цей струм компенсувався і вимірявся п’єзокварцем П’єра Кюрі. Щоб компенсувати струм, що йде від зарядженої пластинки конденсатора до незарядженого, потрібно було навантажувати з'єднану з нею кварцову пластинку визначеними вантажами. Цим точним методом дружини Кюрі насамперед установили, що інтенсивність променів визначається винятково змістом урану і не залежить від того, у яких з'єднаннях він зустрічається в даному зразку. Отже, джерело променів — атоми урану.

Оскільки Бекерель помітив, що в присутності з'єднань урану повітря стає електропровідним, Марія Кюрі вимірювала електропровідність поблизу зразків інших речовин, використовуючи кілька точних приладів, розроблених і побудованих П’єром Кюрі і його братом Жаком. Вона прийшла до висновку про те, що з відомих елементів радіоактивні тільки уран, торій і їхні з'єднання. Однак незабаром Кюрі зробила набагато більш важливе відкриття: уранова руда, відома за назвою уранової смоляної обманки, випускає більш сильне випромінювання Бекереля, чим з'єднання урану і торія, і принаймні в чотири рази більш сильне, чим чистий уран. Вона висловила припущення, що в урановій смоляній обманці міститься ще не відкритий і сильно радіоактивний елемент. Навесні 1898 р. вона повідомила про свою гіпотезу і про результати експериментів Французькій академії наук.

Потім Кюрі спробували виділити новий елемент. П’єр відклав свої власні дослідження з фізики кристалів, щоб допомогти Марі. Обробляючи уранову руду кислотами і сірководнем, вони розділили її на відомі компоненти. Досліджуючи кожний з компонентів, ними було встановлено, що сильною радіоактивністю володіють тільки два з них, що містять елементи вісмут і барій. Оскільки відкрите Бекерелем випромінювання не було характерним ні для вісмуту, ні для барію, вони уклали, що ці порції речовини містять невідомі елементи. У липні і грудні 1898 р. Марі і П’єр Кюрі оголосили про відкриття двох нових елементів, що були названі ними полонієм (на честь Польщі – батьківщини Марі) і радієм.

Оскільки Кюрі не виділили жоден з цих елементів, вони не могли представити хімікам вирішального доказу їхнього існування. І чоловіки Кюрі приступили до дуже нелегкої задачі – екстрагуванню двох нових елементів з уранової смоляної обманки. Вони установили, що речовини, що ними мають бути знайдені, складають лише одну мільйонну частину уранової смоляної обманки. Щоб екстрагувати їх у вимірних кількостях, дослідникам необхідно було переробити величезні кількості руди. Тут Кюрі, і, очевидно, головним чином мадам Кюрі, яка робила всю систему хімічних аналізів, виробила новий, чудовий по своїй доцільності метод, що і забезпечив їм успіх. Радіоактивна домішка (радій і полоній) складала менше однієї мільйонної частини руди, і усе-таки вони її виділили; потім мадам Кюрі одержала тими ж методами хімічно чисті солі радію і нарешті вже після смерті чоловіка — чистий металевий радій. Метод Кюрі полягав у поділі оброблюваного матеріалу на дві фракції шляхом впливу визначених речовин. Вимір їхньої радіоактивності показував, у якій з цих фракцій пішла шукана радіоактивна речовина. Ця фракція піддавалася новій обробці і поділу на дві частини — і знову знаходилася фракція, що містить радіоактивну речовину, і т.д. Після кожного нового поділу виходили фракції, усе більш багаті даним радіоелементом, поки не вдалося