Ona je, prvo uz pomoć mladog hemičara Andre-Luj Debjerna počela da razlaže rudu uranijuma na pojedinačna hemijska jedinjenja i traži jedinjenje koje izaziva visoku radioaktivnost ove rude. Kasnije se radu priključio i njen suprug Pjer Kiri. Ova ispitivanja su, nakon četiri godine, dovela do otkrića polonijuma, a potom i znatno radioaktivnijeg radijuma, a za rezultat su imala i objašnjenje pojave radioaktivnosti, kao efekta raspada atomskog jezgra.
Iz velike mase uranijumove rude hemijskim putem Marija Kiri je izolirala vrlo malu količinu novoga hemijskog elementa radijuma, koji je milion puta radioaktivniji od uranijuma. Otkrila je i istraživala radioaktivnost. Drugi radioaktivni hemijski element koji je otkrila u čast njenoj domovini nazvan je polonijum.
Radioaktivnost je spontano emitiranje alfa-čestica i beta-čestica iz materije, često praćeno i emisijom gama-elektromagnetskih talasa, pri čem se menjaju svojstva materije, to jest hemijski elementi prelaze iz jednih u druge te se oslobađa energija u obliku kinetičke energije emitiranih čestica ili energije.
Godine 1903. Marija Kiri je postala prva žena u istoriji koja je dobila titulu doktora fizike. Iste godine dobila je i Nobelovu nagradu.
