瑪麗在居裏的實驗室中做金屬磁性實驗時，對居裏產生了好感，兩人之間逐漸產生了愛慕之情。雖然居裏並不富有，職位也不高，但他在科學上的造詣卻不尋常，在科學界已有了一定的聲譽。然而，居裏年輕時卻有一種偏見。他認為，妻子是科學工作的障礙。不過瑪麗卻是個例外。就在這一年，皮埃爾·居裏與瑪麗·斯考羅多夫斯卡結婚了。按照習慣，瑪麗就要在名字後麵加上丈夫的姓氏，所以就要叫“瑪麗·斯考羅多夫斯卡·居裏”，或稱她為居裏夫人。他們不慕虛榮，結婚時不請律師，也不請神甫，沒有金戒指，也沒有華麗的衣服，二人隻買了兩輛自行車，並騎車去旅行，到巴黎郊外去度蜜月了。
結婚之後，居裏夫人一邊做家務，一邊又開始籌劃做博士論文。這時她因磁化問題的研究而獲得了一筆獎金，應該做什麼內容的論文呢？正好在此之前幾個月，貝克勒爾發現了鈾射線，這種射線具有一些奇特的性質，人們對此了解甚少。
新射線的研究很適合做她的研究題目，如果能夠繼續深入研究下去，定能搞清楚這種神秘射線的本質，搞清楚輻射能量的來源。
在幾年的研究中，居裏夫婦通力合作，先後發現了新元素釙和鐳。他們因此與貝克勒爾一起分享了1903年度的諾貝爾物理學獎。由於夫婦二人過於勞累，實在不能去斯德哥爾摩參加典禮的活動。但為了學術交流，他們在1903年曾去英國倫敦訪問，在那裏受到了著名物理學家開爾文勳爵的歡迎。
居裏還在皇家學會做了學術講演，居裏夫人也是在學會曆史上參加該學會學術會議的第一位婦女。在這一年，居裏夫人還提交了博士論文《放射性物質的研究》，並因此獲得了博士學位。
不幸的是，在1906年居裏因一次車禍而喪生。這對居裏夫人是一個巨大的打擊，以致使她有些精神失常。經過一段時間的休養，她毅然承擔起了撫養兩個女兒的任務，同時她還接受索邦學院的教學任務，接替居裏的工作，講授“放射性科學”的課程，並成為巴黎大學的第一位女教授。
居裏夫人的研究工作引起了科學界的注意，在1903年得到諾貝爾物理學獎之後，她又於1911年因發現新元素釙和鐳而獲得了諾貝爾化學獎。遺憾的是，由於她的丈夫已去世，他們無法一起分享這榮譽和幸福。這樣居裏夫人就成為第一位獲取諾貝爾獎的女科學家，並成為第一位獲取兩次諾貝爾獎的科學家。
不管獲得多少榮譽，科學家的社會責任並沒有被居裏夫人忘掉。在第一次世界大戰期間，居裏夫人覺得人道主義的責任是不應被忽略的，為此她親自駕車到前線做救護工作。
她對祖國也懷著深厚的眷戀之情，她用祖國的名字命名了發現的第一種新元素，同時還將一份論文的手稿寄回祖國，寄到華沙工農博物館。這是居裏夫人在法國科學院做的學術報告的內容，即《論瀝青鈾礦石中新的放射性物質》。這樣，她的報告在巴黎講演的同時，也發表在波蘭的一家報紙上。1913年，居裏夫人還到波蘭參加鐳學實驗室的揭幕典禮。在典禮儀式上，她非常激動，並且生平第一次用波蘭語做了學術報告。
居裏夫人後來主要在巴黎鐳學研究院工作，指導青年學子做研究。居裏夫人一生淡泊名利，尤其在發現鐳後，她拒絕為提煉方法申請專利。她無私地將這些新發現奉獻給了全人類。然而，由於長期受到射線的照射，居裏夫人因此患上了惡性貧血病，並於1934年7月4日逝世。醫生寫出的證明是：
“奪去居裏夫人生命的真正罪人是鐳。”是的，發現鐳使居裏夫人獲得了極高的聲譽，但她也因此為之獻身，她所得到的榮譽是當之無愧的。由於她在科學上的諸多貢獻，人們因此稱她為“物理學的皇後”。不僅如此，正是居裏夫人的成功，激勵著許多女學生，立誌獻身科學，尤其是在波蘭婦女中出現了一些優秀的科學家。