居里夫妇结婚后次年,即1896年,贝可勒耳发现了铀盐的放射性现象,引起这对青年夫妇的极大兴趣,居里夫人决心研究这一不寻常现象的实质.她先检验了当时已知的所有化学元素,发现了钍和钍的化合物也具有放射性.她进一步检验了各种复杂的矿物的放射性,意外地发现沥青铀矿的放射性比纯粹的氧化铀强四倍多.她断定,铀矿石除了铀之外,显然还含有一种放射性更强的元素.
居里以他作为物理学家的经验,立即意识到这一研究成果的重要性,放下自己正在从事的晶体研究,和居里夫人一起投入到寻找新元素的工作中.不久之后,他们就确定,在铀矿石里不是含有一种,而是含有两种未被发现的元素.1898年7月,他们先把其中一种元素命名为钋,以纪念居里夫人的祖国波兰.没过多久,1898年12月,他们又把另一种元素命名为镭.为了得到纯净的钋和镭,他们进行了艰苦的劳动.在一个破棚子里,日以继夜地工作了四年.自己用铁棍搅拌锅里沸腾的沥青铀矿渣,眼睛和喉咙忍受着锅里冒出的烟气的刺激,经过一次又一次的提炼,才从几吨沥青铀矿渣中得到十分之一克的镭.由于发现放射性,居里夫妇和贝可勒耳共同获得了1903年诺贝尔物理学奖.