那么，这种反常的过度放射性是从哪里来的？毕竟在前面的实验中，居里夫人已经把当时所有的已知元素都检查过了。在这种情况下，合理的解释似乎只有一个：既然放射性是一种原子特性的表现，那么更强的放射性当然表明这里有新元素存在。这种推理十分合乎逻辑，但它仍然只是为有新的放射性元素存在提供的一种推断，进一步的任务就是要找到这种新的元素。
居里夫人知道要从矿石中提炼出这种极其微量的元素绝非轻而易举的事，毕竟从古到今，也不过才发现八十种左右的元素。但是，居里夫人性格中那种刚毅的意志、一往直前的精神，充分发挥出了它的作用。就像四年前居里夫人自己所说的那样：“我们任何一个人的生活都不容易，但是那有什么关系？我们应该有恒心，尤其要有信心！我们必须相信，我们既然有做某种事情的天赋，那么无论如何都必须把这种事情做成。”这种“事情”，就是把科学送到一条前无古人的道路上去！
在这之前，彼埃尔虽然没有直接加入这项工作，但他一直关注着妻子实验的进展，并时常把自己的意见告诉玛丽。但是现在，鉴于实验结果惊人的重要性，彼埃尔决定暂时放下自己进行的结晶学的研究，同妻子一起寻找这种人类还不曾知道的新物质。
在大量的紧迫工作出现，并急需要有合作者的时候，居里夫人身边总会有一位大物理学家及时出现，现在这位大物理学家就是她的终身伴侣彼埃尔。彼埃尔没料到的是，他的这一“暂停”竟一直延续到他不幸去世为止。从此，在那间潮湿狭小的“实验室”里，居里夫妇为人类的科学事业共同拼搏奋斗。他们的合作，是人类科学史上最美妙的一曲交响乐。
他们以放射性为基础，采用分步结晶这一新的化学方法，从沥青铀矿中分离出新的放射性物质。1898年7月，他们两人开始联名发表文章。他们的第一篇文章的题目是《论沥青铀矿中的一种放射性新物质》。
在对新元素的探索工作开始之后，居里夫妇的工作就无法分清哪一部分是哪一个人的成绩了。居里夫妇从1898年5月或6月开始合作，直到八年之后，这种合作才被一次不幸的意外终止。
居里夫妇开始耐心地探索。他们先依照化学分析的普通程序，把组成沥青铀矿的各种物质分开，然后逐一测量它们的放射性。连续淘汰几次后，他们渐渐发现那种“反常的”放射性，隐藏在这种矿石的某几部分中。工作越向前进展，探索的范围就越缩小。他们紧紧追踪着放射性元素的走向，在实验室一干就是一个通宵，常常连饭也顾不上吃。
几个月过去，不知不觉中，夏天来临了。他们没有白费时光，在这几乎和外界断绝来往的几个月里，他们终于将沥青铀矿中的所有成分都分离开了。化学分析又给他们带来了新的意外，所有的实验都表明，放射性主要集中于沥青铀矿的两个组成部分里。其中一种是在沥青铀矿含钡的化合物中，另一种在含铋的化合物中。这就是说，如果他们的推断是合理的，那么只要将这两种化合物再度分离，就可以找到新元素。他们又进一步确证，在含铋的化合物中，铋的放射性并非来自铋本身，而是混在铋内的一种极其微量的元素。
经过反复实验，他们认为可以利用两种金属溶解度不相同的特点进行再分离。加水使铋盐溶解后，他们首先从沉淀下来的渣滓中找到了放射性特别强的物质。
新的发现正向他们热情地招手！居里夫妇怀着激动而急迫的心情，加快了工作的进度。到1898年7月的一天，他们终于在含铋的化合物里找到了一种新元素。
彼埃尔对他年轻的夫人说：“你应该给它起一个‘名字’。”
居里夫人默默地闭上了眼睛。她想到了那已经从世界地图上消失了的祖国，她隐约觉得这个重要的科学发现将会在德国、俄罗斯、奥地利那些压迫者的国家发表，于是对丈夫说：“我侨居在远离祖国的土地上，而我的祖国已经从地图上消失了，但是我要让祖国的名字永远铭刻在人们的记忆中。我们可否叫它‘钋’？”（钋Polonium，这个词的词根和波兰国名的词根一样，居里夫人以此来纪念她的祖国。）
彼埃尔紧紧握住妻子的手，虽然她婚后成了法国公民，但她时刻没有忘记对祖国的爱，没有背弃青年时期的热情，彼埃尔太了解她了。
在1898年7月科学院的《论文汇编》里有这样一段文字：我们相信，我们从沥青铀矿中提取的物质，含有一种尚未受人注意的金属，它的分解特性与铋相近。如果这种新金属的存在确定了，我们提议把它定名为‘钋’，这个字来源于我们之一的祖国的名字。
这篇题目为《论沥青铀矿中的一种放射性新物质》的研究报告在《论文汇编》上发表之前，居里夫人已将原稿寄回波兰，交给她从前做初步实验时所在的工农业博物馆的实验室主任约瑟夫·柏古斯基。几乎在巴黎发表的同时，这篇文章也发表在华沙的一家画报月刊上。
在这篇文章中，他们写道：
有些含铀和铋的矿石（沥青铀矿、铜铀云母、非晶铀矿等）放射的柏克勒尔射线的性质很强……如果有些矿石的放射性比纯粹的铀和铋还强，那就可能含有一种比上述两种金属的放射性还强的物质。我们想尽办法分离存在于沥青铀矿中的这种物质……在不同的过程中，越到后来产生的放射性越强。最后，我们得到的是一种放射性比铀强四百倍的物质。
沥青铀矿是一种成分复杂的矿石，它以铀为主，另外还含有多种其他元素的杂质，包括银、铜、铋、钡、锶和钴等金属的化合物，这些杂质中究竟是哪一种成分含有放射性呢？这只能靠化学方法分离后，再用静电计比较其游离电流的大小才能鉴别。就这样，他们一边用物理仪器测试，一边进行化学分析，结果发现含铋的成分显示出强烈的放射性，其强度比同样质量的铀强四百倍！
1898年7月18日，他们把这一发现提交法兰西科学院，由李普曼教授宣读。但是，法兰西科学院不认可这个报告。这是因为，钋的特性推翻了几世纪来学者们相信的基本理论。从化学角度来看，钋的化学特性和铋十分相近，未必是一种新的元素。而按照一般的习惯，一种新元素只有在看见了它、接触了它、称量过它，用各种酸加以对比，再把它放进了瓶子里，并确定了它的“原子量”后，化学家们才会相信它的存在。而现在没有一个人见过纯净的钋，也不知道它的原子量，因此不少化学家对此抱怀疑态度。
但是，后来李普曼教授也承认了她的研究价值。1898年4月12日，他在学士院例会席上说：“玛丽·斯科罗特夫斯基·居里在实验室内发现，有一种具有强烈放射能的新化学元素可能存在。”
居里夫妇认为，用放射性方法检测、寻找新的元素是一种很有希望、很有效的化学分析方法，他们认为这种方法比光谱学分析方法更灵敏。但是，由于人们对放射性所知不多，因而不相信可以用放射性方法来寻找、确定新的元素，仍然认为只有运用元素的特征光谱才是唯一可行的确定新元素的方法。科学院也拒绝把放射性方法作为识别元素的依据。
找到了钋元素以后，他们并没有忘记另外一种亟待他们去发现的新的放射性元素。他们又回到那间小小的实验室，以同样的热情投入到继续寻找新元素的工作中。
这是居里夫妇从仓库实验室向物理学界发出的第一炮。他们研究的目的是想求证这种元素是什么，以及它在沥青铀矿内的含量有多少。
后来他们发现其含量竟然不及1%，如此徽弱的含量，却能放出如此强烈的能量，这种发现震惊了学术界。
接着他们开始分析沥青铀矿中发出放射能的成分是什么。最令他们惊异的是，竟有两个新元素具有放射能。
这时，开始换牙的伊雷娜已学会缠父母了。居里夫人做实验的同时也很挂念女儿，经常会跑回家看看。他们的收入不高，得精打细算才能让一家三口正常生活下去。居里夫人在一本食谱上写道：“我用八磅果子和等量的冰糖，煮沸十分钟，然后用细筛滤过，这样可以得到十四罐很好的果冻，不透明，可是凝结得很好。”对于女儿的成长，年轻的妈妈也细心地做了许多记录。例如：“伊雷娜会用小手表示‘谢谢’了。她已经会用四肢爬了，并且会说：‘走啊，走啊，走。’把她放在毯子上，她会自己坐起来，会坐下去……”
10月17日：“伊雷娜已经学会走路，她再不用爬了。”
1899年1月5日：“伊雷娜有十五颗牙了！”