在有了女儿之后，居里夫人享受着作为一名母亲的快乐。不过，尽管居里夫妇的生活十分美满幸福，但是他们并没有忘记自己作为科学研究者的身份。尤其是居里夫人，她不认为自己需要在生活和事业之间作出抉择，她有信心同时胜任妻子、母亲、学者三重角色。
玛丽生性喜欢冒险，小时候，即使要到同一个地方，她也要尝试走不同的路，甚至去寻找别人不知道的路。而且，从日常生活中也可以看出她的这种个性。
她更是一个不畏艰难的人，无论遭遇何种困难，一定会设法解决的。如今，她不但想写博士论文，而且也想选择别人从未做过的研究，因此她先详细阅读了物理化学界各种最新的实验报告，以便决定研究题目。
19世纪末，正当物理学家们为经典物理学的辉煌成就举杯祝贺，一部分科学家宣称物理学的大厦已经初步建成之时，从1895年（玛丽和彼埃尔结婚的那一年）起，一系列难以想象的伟大发现突然迅速地涌现。
首先是1895年12月德国物理学家伦琴发现X射线。接着，法国物理学家柏克勒尔于1896年3月发现“铀”元素具有的天然放射性。把含铀的一种化合物放在用黑色纸包好的照相底片上，铀的射线可以透过黑纸使底片感光；“铀射线”和X射线一样，能把周围空气变成导电体，使验电器放电。
关于柏克勒尔发现铀元素放射性的消息报道后，在科学界引起了轰动。而此时居里夫人正面临着一个任务，就是选择博士论文研究的课题。在阅读了近几年的科学期刊后，居里夫人注意到了柏克勒尔教授的关于铀射线的论文，终于，她选定法国物理学者亨利·柏克勒尔的研究报告，展读再三，兴趣盎然。
柏克勒尔教授的研究报告在物理学上极富启发性，他的研究虽然尚未完成，却很可能成为某种伟大研究的开端。
这些资料使玛丽下定决心，一定要进一步探索柏克勒尔射线。
这种铀射线显得有点神秘，而且有一个问题让她不明白：铀射线的能量是从哪儿来的？这也是一直以来困扰柏克勒尔和许多科学家的一个问题。居里夫人觉得这个问题很值得研究，在与彼埃尔商量以后，她决定把它作为自己博士论文的研究课题。对玛丽来说，这是她最感兴趣的研究目标，说不定还会发现新元素呢！
居里夫人的决定聪明而又大胆。首先，能量来源的问题十分棘手，用已有的科学概念几乎无法对它作出解释，可居里夫人偏偏选中这种难度大、内容新颖的研究课题！其次，当时世界上还没有任何一位女性能成为理科博士。居里夫人明白，要想同男人建立平等的关系，她的论文必须有独特的内容和实质性的科研成果。再次，居里夫人也是怀着又惊又喜的心情发现，柏克勒尔的重要发现尚未被人们重视，几乎还没有人做进一步的研究，因此选这个题目研究，取得成功的机会比较大。但与此相关的困难是参考文献太少，几乎一切都得自己从头干起。
居里夫人在丈夫的鼓励下，着手做初步的研究工作，到实验室去做种种精密细微的实验。可自己的实验室在哪里呢？即使在十分重视科学的法国，也只有极少数有地位的学者才拥有自己的实验室。
经由彼埃尔和理化学校校长协商的结果，由学校借给他们一间仓库和一间堆置机械的住房做实验室。
仓库简陋不堪，没有地板，屋顶也会漏雨，夏季闷热自不待言，冬天的寒风从缝隙吹入的滋味也不好受，内部只有一块旧黑板、一个会晃动的桌子以及一个烟囱生锈的壁炉。
早在理化学校还附属于巴黎医学院时，这里是尸体解剖室，因而光线黝暗，湿气又重。里面潮湿得冒水，设备很简陋，也没有研究所需的一切材料。可居里夫人毫不气馁，经过努力，这个简陋的屋子很快就成了她的“第一个”实验室。觉得太冷的时候，居里夫人就在她的工作笔记本上记下摄氏温度计指明的度数，例如，1898年2月6日的记载是：“温度6度25分。”居里夫人还在这个数字后面加上了十个惊叹号，表达自己的不满。
湿气重，对玛丽的病体会产生不良的影响，也很可能影响电流计的准确度，但他们已经别无选择了。
不过，这里毕竟是居里夫人的第一个实验室。以后她又换过许多个实验室，但这里却是她实验室生活的起点。
德国化学家奥斯特瓦尔德在参观了居里夫妇的实验室后，难过而又愤愤不平地说：“在发现镭之后不久，经过我的恳切请求，终于被允许进去参观居里夫妇的实验室。我走进实验室，发现那竟是一所既类似马厩，又好像马铃薯窖般简陋的房子。如果不是在工作台上看到一些化学仪器，我真会认为这是一个天大的恶作剧呢。”
这时，一位年轻的化学家安德烈·波恩特地到他们的实验室来，给予了他们精神上的鼓励。波恩是“锕”元素的发现者，他深知研究的艰苦。
“祝你们成功。”他握紧居里夫妇的手，由衷地祝福着他们。
居里夫妇高兴异常，在最艰难的时候，这位了解他们的同行来访，使夫妇俩勇气倍增、精神十足。
他们继续苦斗，但是经济状况愈来愈紧张了。
刚开始时，玛丽一直感到很疑惑，到底柏克勒尔射线不可思议的作用，是铀矿特有的现象，还只是偶然而已？其他物质是否也有同样的现象？如果是的话，那么除了铀之外，就必须再去发掘具有这种特殊现象的其他物质了。
把必需的仪器筹备得差不多以后，居里夫人立即开始着手重复柏克勒尔做过的实验——测量铀射线的强度。柏克勒尔在发现铀元素天然放射性的时候，发现了它有三种效应：可以使照片底片感光、可以使气体电离、对不同的物质具有不同的穿透力。
居里夫人通过细致耐心的测量，证实了铀射线的强度仅与铀化合物中铀的含量成正比，与化合物的组成无关，也不受光照、加热、通电等诸多因素的影响。这样，居里夫人进一步证实了柏克勒尔的结论：铀射线的放射是一种原子过程。
当居里夫人精确地、定量地测定了铀射线以后，她作为一位优秀科学家的素质在这时充分地显露出来了。她研究得越是深入，越是感到铀射线具有一种非同寻常的性质，与以前所有的研究结果大不相同。于是，她正好在柏克勒尔止步的地方勇敢地向前迈出了一步。她考虑到虽然现在只能观察到铀可以自动放出“铀射线”，但是并没有任何证据可以证明铀元素是唯一能发出这种射线的化学元素。别的元素就不能发射这种射线吗？柏克勒尔也许是由于一种偶然的原因先在铀元素里发现了它，但若因此就把它设定为只有铀元素才具有的发射本领，那未免有些以偏概全了。于是，居里夫人决定检查当时知道的所有元素。她找来几种矿石和化学物品，一一做了实验。
通过实验，居里夫人得出了一个结论：钍也是一种放射性元素。那么，放射现象绝不只是铀的特性，必须给它一个科学的命名，居里夫人提议把这种现象叫做“放射性”。铀和钍这些具有放射特性的物质，就叫做“放射元素”。
放射性使居里夫人着迷。她不知疲倦地连续用同样的方法研究各种不同物质。除了单质的元素和简单化合物外，她更进一步检查各种复杂的矿物。结果是：含铀或钍的矿物，就有放射性，而其他矿物基本不具放射性。
但问题出现了。当居里夫人检查到一种沥青铀矿时，她发现这种矿物的放射强度，远远超过它所含铀量应有的强度！
“也许是弄错了吧？”居里夫人怀疑这是实验所出现的误差。与所有的学者一样，她对于出乎意料的现象的第一反应，总是持怀疑态度。
她开始用同样的矿物重新实验。她反复做了十次、二十次，结果总是一样。她不得不承认一个事实：光凭这些矿物中铀和钍的含量绝不能解释这种异乎寻常的放射强度。