М. Кюри, искавшая в это время интересную и плодотворную тему для докторской диссертации, решила выяснить природу этих «урановых лучей». Прежде всего, она попыталась установить, обладают ли подобным свойством другие вещества, и вскоре обнаружила его у тория. Она ввела новый термин «радиоактивность» для обозначения свойства спонтанного излучения у некоторых веществ, подобных урану и торию. С помощью чувствительных электрических измерительных приборов, изобретенных П. Кюри, она исследовала коллекцию минералов, находящуюся в Школе промышленной физики и химии, где с 1883 года работал ее муж. Было обнаружено, что в минералах урановой смолки и халколите степень радиоактивности не соответствует количеству урана в них, она значительно больше. Мария Кюри высказала замечательную гипотезу о возможности содержания в минералах ново го радиоактивного элемента, еще незнакомого науке. Предварительное сообщение об этом было сделано в апреле 1898 года.

П. Кюри, правильно оценив громадную научную перспективность исследования жены, решил вплотную заняться радиоактивностью. Совместные исследования вскоре принесли ошеломляющие результаты. В июле 1898 года появляется их сообщение об открытии нового элемента – полония, (названного так в честь родины Марии), а в декабре того же года – об открытии радия. Хотя существование двух новых элементов было физическими методами доказано безупречно, в глазах химиков открытие не является окончательным, если элемент отсутствует в чистом виде и нельзя определить его точный атомный вес.