后来玛丽同法国著名物理学家彼埃尔·居里结婚，至此玛丽才真的成为居里夫人。彼埃尔·居里是一位天才的学者，他在国内几乎默默无闻，但已经深为外国同行所推崇，他从小向往科学，头脑独特，19岁时，就被任命为巴黎大学理学院德山教授的助手。
彼埃尔和玛丽结婚后，生活很拮据，但他们志同道合，相亲相爱，在十分艰苦的条件下进行着科学试验，而且配合得天衣无缝。当时在欧洲没有人对铀射线作过深入的研究，但他们认为，科学必须开拓无人走过的路，不然就不叫科学研究，于是他们选择铀射线为题目，探索铀沥青矿里第二种放射性的化学元素。他们买不起这种原料矿苗，就想利用廉价的铀沥青残渣。几经周折，他们用自己的钱，买到了矿渣。原料有了，却没有实验室，向市政府申请而遭到拒绝后，他们只得在理化学校借到一间堆置废物的厂棚。在这间破烂屋子里，他们习惯了酷暑和严寒，使用着极其简单的工具，把残渣弄碎加热，忍着刺鼻的气味，连续几个钟头搅动大锅里的溶液，居里夫人是学者、技师，同时也是苦力。夫妇二人以超人的毅力一公斤一公斤的提炼了成吨的沥青矿渣，经过无数次的失败，反复的分析、测定和试验，终于在8吨的铀沥青残渣中，先后发现了钋和镭两种天然放射性元素，从而为原子能科学的发展起了重要的推动作用。
居里夫人在学术上的勤奋顽强与她强烈的爱国思想紧紧地联系在一起，她不停地工作是为了祖国的复兴。
钋和镭两种放射性元素的发现，使这对年轻的科学家狂喜不已。彼埃尔对居里夫人说：“你应该给它定一个名字！”这位女物理学家安静地想了一会儿，后来她说话了：“我们可否叫它‘钋’？”因此，1898年7月，他们在理科博士学院报告书里写道：“我们相信我们由铀沥青矿提出的物质，含有一种尚未经人注意的金属，它的分解特性与铋相近，若是这种新金属的存在确定了，我们提议把它叫做‘钋’，以纪念我们中之一的祖国。”居里夫人一刻也没有忘记自己的祖国，看来，一个人的性格与精神追求是有很大关系的。
镭的发现，轰动了世界，居里夫妇每天收到大批的信件，全世界都为这项空前的业绩感慨万端。玛丽和彼埃尔声誉鼎沸，1903年12月他们获得了诺贝尔物理奖。
“镭的发现将创造出亿万财富”，如果居里夫妇呈报专利的话，他们将从世界各国得到制镭的专利费。但是，他们没有这样做。玛丽和彼埃尔认为，科学应当属于全人类，毅然毫无保留地公布了他们苦心研究的成果。结果首先向居里夫妇要求提炼镭的实业家发了大财。20年代初期，一克镭的价格高达10万美元（合当时一百万法郎，现在的七、八百万法郎）。30年代，加拿大发现了铀矿之后，爆发了一场价格战。一项卡特尔协定于1938年规定，一克镭的最低价格为两万五千美元，可想而知，如果居里夫妇索要专利，可以获得巨大的财富。然而，他们作出的不要专利的决定，既符合他们所遵循的基本原则——大公无私，也符合科学精神。
正当他们在科学高峰上勇敢攀登、取得一个又一个胜利的时候，一个震惊世界的不幸事件发生了，当彼埃尔通过道芬街前往巴黎科学院时，被一辆拉货的马车撞倒了，颅骨压坏，当场丧命。
彼埃尔的遇难，像晴天霹雳，使玛丽遭受了一场难以支撑的打击。那年，她38岁，丈夫的去世使她失掉的不仅是日夜相伴的爱人，而且是在科学研究的艰苦道路上共同奋斗的亲密战友。
玛丽失去了爱侣，世界失去了一个伟大的科学家。许多表示悲痛的文件送到克勒曼大道，签名的有国王，有部长，有诗人，有学者。法国著名化学家、法兰西外交部长马斯兰·伯特娄的唁电说：“噩耗传来，如闻霹雳。这个天才的发明家对于科学和人类已有绝大的贡献，而且我们仍在期望他还有更大的贡献！俄顷之间，这些完全消失了，或者已经成为一种记忆！”
残酷的打击并没有击倒这位坚强的女科学家。玛丽在处理完丧事之后，毅然鼓起勇气，担负起彼埃尔遗留下的工作。她在完成繁重的教学任务和指导实验之外，还埋头整理丈夫的笔记和遗稿，继续进行放射性的研究工作。
居里夫人的一生似乎注定了要与苦难和贫穷为伴。
1891年她在巴黎求学期间，冬天住在一间冰冷的没有生火的阁楼上；晚上冷得不能入睡，她就把箱子里所有的衣服，能穿多少就都穿在身上，剩下的就盖在被子上；还是冷，她拉过惟一的一张椅子压在衣服上。她节衣缩食，且利用课余时间为学校检修炉子，洗刷瓶子，得些微薄收入维持上学。她在困境中，把全部精力都放在课堂上和实验室里。即使在与法国科学家彼埃尔·居里结婚后，他们的婚后生活仍不富裕。彼埃尔·居里为了养家糊口，不得不在理化学校担任繁重的课程；居里夫人为了节省开支，也不得不自己料理家务，照顾孩子。而他们那时最大的困难还是科学研究的条件十分恶劣。但所有这些，都被他们踩在脚下了，在为人类造福的伟大理想鼓舞下，他们以惊人的毅力克服了一个又一个困难，攀登了一个又一个高峰。每逢谈到这些时，居里夫人总是谦逊地说：“的确有过一些凄风苦雨的日子，那也是我一生中最难耐的时光。回想起来使我感到欣慰的是，我堂堂正正地昂着头颅脱身出来。”
命运夺走了她患难与共的丈夫后，玛丽·居里并没有就此消沉，她决心一个人担负起两个人的工作，而且要设法完成得更好些。她的工作条件依然很坏，而且还经受着外界的讽刺和挑战。她只用十厘克微乎其微的纯镭盐，精心操作，经过四个寒暑，她终于通过贡阴极电解镭溶液的办法，成功地使一块极小的然而是不可争议的白色金属浓聚，这便是她要制造的镭，她测出熔点为700度。同时她也驳击了向她挑战的德国化学家维利·马克瓦尔德。这位化学家认为自己发现了一种新的放射性物质“碲”。而玛丽确信这种放射碲只不过是她早已发现的钋而已。经过十个月的观察之后，玛丽彻底打败了那位自命不凡的化学家。
居里夫人胜不骄，败不馁，这种勤奋坚忍的个性永远鞭策她勇往直前。她的研究成果，再次受到世界科学界的重视，1911年末，瑞典科学院的评判委员会，再次授予她诺贝尔化学奖，并取得了“镭王后”的称号。
玛丽两次获得20世纪学者的最高荣誉，18次获得国家奖金，获得了世界上108个名誉头衔，堪称独步科学界。在荣誉面前，居里夫人只有一句话：“在科学上我们应该注意事实，不应该注意人的等级观念。”即使是论功行赏，她也觉得难以接受。正如爱因斯坦所说的：“在所有的著名人物中，居里夫人是惟一不为荣誉所颠倒的人。”
伴随着镭在工业和医学方面的应用所取得的进步，居里夫人在国际上的声誉，已经无人能比，但是她决心在自己开拓的领域里继续前进，不断扩大研究成果。
居里夫人由于长期接触放射性物质，健康受到了严重损害，两手被镭射线烧得伤痕累累，并得了致命的血液病，第一次世界大战后，她的身体愈来愈坏，视力急剧下降，耳朵轰鸣，她忧心仲忡，担心无法再工作了。人们一再劝她休息治疗，都被她谢绝了，她说：“我的生活是不能离开实验室的。”在晚年的十多年时间内她带病写出了30多部科学报告，多部高深的科学理论著作，每天仍然工作14小时，直到1934年7月居里夫人闭上了她那双智慧的眼睛，终于实现了她“把一生献给科学”的誓言。
居里夫人无疑是世界上最伟大的科学家之一，这成功归根结底来自于她勤奋坚韧的个性。灭国之辱，丈夫之死，学术界上险恶之徒的攻击，这一切都没能阻止居里夫人的孜孜探求。居里夫人顶住了痛苦，侮辱，终于把自己的巨大科学成就留给了后人。