Nascida na capital da Polónia - à época sob domínio do Império Russo - com o auxílio financeiro de sua irmã mudou-se já na juventude para Paris. Licenciou-se em primeiro lugar em Ciências Matemáticas e Física, na Sorbonne. Foi a primeira mulher a lecionar neste prestigiado estabelecimento de ensino. Casou-se em 1895 com Pierre Curie (de quem recebeu o sobrenome pelo qual é conhecida) que também era professor de Física. Em 1896, Henri Becquerel incentivou-a a estudar as radiações, por ele descobertas, emitidas pelos sais de urânio. Juntamente com o seu marido, Maria começou, então, a estudar os materiais que produziam esta radiação, procurando novos elementos que, segundo a hipótese que os dois defendiam, deveriam existir em determinados minérios como a pechblenda (que tinha a curiosa característica de emitir mais radiação que o urânio que dela era extraído). Efetivamente, em 1898 deduziram essa explicação: haveria, com certeza, na pechblenda, algum componente liberando mais energia que o urânio; em 26 de Dezembro desse ano, Maria Skłodowska Curie anunciava a descoberta dessa nova substância à Academia de Ciências de Paris.
Após vários anos de trabalho constante, através da concentração de várias classes de pechblenda, isolaram dois novos elementos químicos. O primeiro foi nomeado polônio, em referência a seu pais nativo, e o outro rádio, devido à sua intensa radiação, do qual conseguiram obter em 1902 0,1 g. Posteriormente partindo de oito toneladas de pechblenda, obtiveram mais 1 g de sal de rádio. Nunca patentearam o processo de obtenção desenvolvido. Os termos radioativo e radioatividade foram inventados pelo casal para caracterizar a energia liberada espontaneamente por este novo elemento químico.
Com Pierre Curie e Antoine Henri Becquerel, recebeu o Prêmio Nobel de Física, em 1903 "em reconhecimento pelos extraordinários serviços obtidos em suas investigações conjuntas sobre os fenômenos da radiação, descoberta por Henri Becquerel". Foi a primeira mulher a receber tal prêmio.
