1397為了拿到博士學位，她選擇了不久前在貝克雷爾發現的壹種性質還不完全清楚的射線作為自己的研究課題。在測量鈾鐵混合物和各種天然礦石時，她觀察到壹些鈾鐵混合物的輻射強度遠大於鈾鐵含量的發射強度。她推測這些礦石中壹定有壹些未知的高放射性元素，並設計了放射化學的基本分析方法來尋找。在實驗室裏，居裏夫婦用化學方法和放射性方法在數噸瀝青鈾礦中尋找這種微量的未知元素。他們的工作進展迅速。1898年7月，居裏夫婦發現了壹種新元素，它的放射性比純鈾高幾百倍。居裏夫婦將其命名為釙，以紀念居裏夫人的祖國波蘭。
居裏夫婦對他們的發現並不滿意。他們認為釙的放射性不夠強，所以他們繼續在鋇化合物中尋找新的物質。5438年6月+同年2月，居裏夫婦發現了另壹種新元素——鐳，它的放射性比純鈾高900多倍，並且常與鋇伴生。但也有人質疑:“沒有原子，就沒有鐳！”只有通過測量鐳的原子量，我們才能確定它的存在。居裏夫婦接受了這個挑戰，決定建立壹種分離鐳的方法。這項工作是在極其困難的條件下開始的。他們沒錢購買大量含鐳的瀝青鈾礦，只好改用只需要付運費的瀝青鈾礦渣；沒有實驗室，他們在學校借給他們的木棚裏工作。這個木棚下面是泥，上面是通風的玻璃屋頂。房間裏全是煙，夏天難忍，冬天刺骨，沒有任何防護設備(當時還不知道放射性的危害)；在沒有助手的情況下，兩位研究人員既是物理學家又是化學家，還是技術人員、實驗人員和“水泥工”。特別值得壹提的是，由於居裏先生身體不好，混合溶劑和原有加熱方式帶來的繁重體力勞動必須由居裏夫人來完成。這項研究在難以想象的艱苦條件下進行了四年。他們使爐渣熔化、沈澱和結晶。經過上萬次的提煉，他們終於從1902噸瀝青鈾礦渣中提取出0.12g氯化鐳。初步測定鐳的原子量為225，放射性比鈾強200多萬倍，證明了鐳的存在！
但居裏夫婦患上了壹種奇怪且難以診斷的疾病，這可能是因為他們受到了太多的輻射，並吞下了足夠多的放射性物質。雖然皮埃爾死於車禍，瑪麗活到了67歲，但她病了很長時間。最後死於再生障礙性貧血，這是過量輻射引起的許多癥狀之壹。她的女婿F. Iorio檢查了Mary的實驗書，發現它們受到了嚴重的放射性汙染。此外，瑪麗在家做飯，她用過的許多烹飪書都有五十年的放射性。