1896年，居里夫人为获得博士学位，审慎地选择着研究课题。贝克勒尔的一篇报告引起了她的关注。贝克勒尔称，铀和钠的化合物具有一种特殊的本领，能自动、连续地放出一种眼睛看不见的射线。居里夫人感觉这是一个非常难得的研究题目。次年，她正式确定了自己的研究方向。
铀射线的研究工作开始后，居里夫人细心地测试各种不同的化合物。在测量中，出现了一个十分意外的情况：在对铀和钍的混合物进行测量时，她观察到有些铀和钍的混合物的放射性辐射强度比其中铀和钍的含量所应发射的强度高出很多。经过反复考虑，她认为，这种反常现象只有一种合理的解释：就是那些矿石中必定含有少量还没有被发现的化学元素，同时这种元素是具有放射性的。皮埃尔•居里对这一大胆的设想表示赞同，同时，他也意识到这一研究的重要性，他毅然放下自己的研究课题，和居里夫人一起投入到寻找这种新元素的艰巨的化学分析工作中。
居里夫妇用分离沥青铀矿的方法来寻找新元素，结果发现含已知元素铋和钡部分的放射性特别强。1898年7月，他们从含铋的部分中确认了一种新的放射性元素。为纪念玛丽的祖国波兰，这种新的放射性元素被命名为钋。到1898年年底，他们又从含钡的部分确认了另外一种新的元素，它是迄今为止他们所发现的放射性最强的未知元素。他们把它命名为镭，在拉丁文里为“放射”的意思。
将钋从铋中提纯出来要比把镭从钡中提纯出来麻烦得多，而且镭的放射性比钋要强，居里夫妇决定先从提纯镭开始。沥青铀矿中镭含量极其稀少，许多吨的矿石，需要经过混和、溶解、加热、过滤、蒸馏、结晶等一系列的工作，才可能分离出一克的极小份数和镭盐。为了提取纯镭，测定镭原子的原子量，向科学界证明镭的存在，他们夜以续日地努力工作。到1902年，通过45个月艰苦繁重的劳动，在数万次的提炼后，他们从数吨沥青铀矿渣中提炼出了0.1克纯净的氯化镭，在光谱分析中，它清楚地显示出镭的特有的谱线，与已知的任何元素的谱线都不相同。居里夫人还第一次测出它的原子量是225，其放射性比铀强200多万倍，这一科学的举措证实了镭元素的存在。