Поэтому оба ученых принимаются за выделение чистого радия из урановой смолки. Это была изнурительная, полная героизма работа. Пришлось вручную, без помощи лаборантов, в сыром и холодном деревянном бараке, в едком и вредном дыму переработать восемь тонн шлаков урановой смолки, пока не был в 1902 году получен один дециграмм чистого хлорида радия – соль белого цвета, светившаяся приятным светом. Позднее Мария Кюри получит чистый металлический радий. Об этих годах она писала: «Мне понадобилось четыре года для того, чтобы, согласно требованиям химии, доказать, что радий действительно является новым элементом. Будь в нашем распоряжении соответствующие средства, нам для этого наверняка хватило бы года». И далее: «У нас не было ни денег, ни лаборатории, ни помощи, чтобы хорошо выполнить эту важную и трудную задачу. Требовалось создать нечто из ничего... Я могу сказать без преувеличения, что этот период был для меня и моего мужа героической эпохой в нашей совместной жизни».

В 1903 году Мария Кюри успешно защищает докторскую диссертацию «Исследование радиоактивных веществ». Начало изучению свойств радиоактивности было положено, и вскоре эстафету подхватили Э. Резерфорд, Ф. Содди, У. Рамзай и другие исследователи.

Постепенно к супругам Кюри пришло признание: Лондонское королевское общество наградило их медалью Дэви, а в декабре 1903 года из Швеции пришло сообщение о присуждении Анри Беккерелю и Пьеру и Марии Кюри Нобелевской премии за открытие и исследование радиоактивности. Наконец семья Кюри получила материальное облегчение, и Пьер Кюри смог уменьшить большую преподавательскую нагрузку. Они чужды тщеславия, безразличны к славе, их единственная мечта – создание настоящей лаборатории, в которой они могли бы вести свои исследования. В ответ на просьбу декана Парижского университета согласиться на получение ордена Почетного легиона.