בני הזוג החלו לחקור את תופעת הרדיואקטיביות שהתגלתה באקראי בשנת 1896 ע"י המדען הצרפתי אנרי בקרל. הוא החזיק כמה לוחות צילום חדשים במגירת שולחנו ובה היה גם חומר המכיל אוראניום. לאחר שפיתח את הסרטים גילה כי השחירו לגמרי כאילו נחשפו לאור. הוא הסיק מכך כי קרינה כלשהי נפלטה מן האוראניום ופעלה על לוחות הצילום באופן דומה לפעולת האור.
פייר ומארי המשיכו לחקור את התופעה.
מארי פיתחה מכשיר מיוחד שגילה כי הקרינה הנפלטת מעופרת אורניום (פיצ'בלנדה) היא חזקה יותר מהקרינה של האורניום עצמו. ומכך הסיקה כי עופרת האורניום מכילה חומר שהוא יותר רדיואקטיבי מהאורניום עצמו.
הם החליטו לנסות ולהפיק את החומר הנסתר מכמויות גדולות של עופרת אורניום. לאחר מאמצים רבים ובתנאים קשים ביותר הצליחו לבודד את החומר שקרינתו הרדיואקטיבית היתה חזקה פי כמה אלפים מזו של הארניום עצמו. חומר זה היה תרכובת של שני יסודות חדשים שהוגדרו ע"י הזוג קירי. פולוניום ע"ש ארץ מולדתה של מארי, וראדיום. בשנת 1910 התברר כי החומר שהפיקו לא היה טהור לגמרי.
בשנת 1903 זכו הזוג קירי יחד עם אנרי בקרל בפרס נובל לפיזיקה על גילוי הראדיום.
באותה תקופה לא היתה ידועה הסכנה הרבה מן הקרינה הנפלטת יסודות הראדיואקטיביים ולכן לא נקטו הזוג קירי באמצעי זהירות.
לאחר שנים התבררה עוצמת הקרינה הראדיואקטיבית ותוצאותיה. התברר כי חומרים ראדיואקטיבים פולטים קרינה וכך הופכים בקצב קבוע לחומרים אחרים ולבסוף לעופרת. עוצמת קרינת הראדיום היא כה חזקה ואיננה ניתנת לוויסות. התברר כי קרינה זו משמידה תאים בגוף האדם.
קרינה זו שהיתה אבן הדרך במחקרם היא זו שפגעה בבריאותם וקיצרה את חייהם. מארי סבלה מכוויות קשות וחלתה במחלת דם קשה שהביאה למותה.
בשנת 1906 נהרג פייר קירי בתאונת דרכים בהיותו בן 47 בלבד.