পরে পিয়েরের সঙ্গে যৌথ গবেষণায় ১৮৯৮ সালে পোলোনিয়াম ও রেডিয়াম নামের দুটি নতুন মৌল আবিষ্কার করেন তারা। পোল্যান্ডের নাম অনুসারে একটি মৌলের নাম রাখা হয় পোলোনিয়াম।তেজস্ক্রিয়তা নিয়ে গবেষণার স্বীকৃতি হিসেবে ১৯০৩ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার পান মেরি কুরি। স্বামী পিয়েরে কুরি ও বিজ্ঞানী অঁরি বেকেরেলের সঙ্গে যৌথভাবে এ পুরস্কার অর্জন করেন তিনি। এর মধ্য দিয়ে নোবেলজয়ী প্রথম নারী হিসেবে ইতিহাসে জায়গা করে নেন মেরি।
এরপর ১৯১১ সালে রসায়নে দ্বিতীয় নোবেল পুরস্কার পান তিনি। রেডিয়াম ও পোলোনিয়াম আবিষ্কার এবং রেডিয়াম পৃথকীকরণে গবেষণার স্বীকৃতি হিসেবে তাকে এ সম্মান দেওয়া হয়। এখন পর্যন্ত তিনিই একমাত্র ব্যক্তি, যিনি দুটি ভিন্ন বৈজ্ঞানিক শাখায় নোবেল পুরস্কার পেয়েছেন।
১৯০৬ সালে স্বামী পিয়েরে কুরির মৃত্যুর পরও গবেষণা থামাননি মেরি। বরং সরবোন বিশ্ববিদ্যালয়ে স্বামীর অধ্যাপনার দায়িত্ব গ্রহণ করেন। বিশ্ববিদ্যালয়টির প্রথম নারী অধ্যাপকও হন তিনি। প্রথম বিশ্বযুদ্ধের সময় আহত সৈন্যদের চিকিৎসায় এক্স-রে ব্যবহারের উদ্যোগ নেন। ভ্রাম্যমাণ এক্স-রে ইউনিটের ব্যবস্থা করে যুদ্ধক্ষেত্রের কাছাকাছি চিকিৎসকদের সহায়তা করেন তিনি।
১৯৩৪ সালের ৪ জুলাই ফ্রান্সে মারা যান মেরি কুরি। দীর্ঘদিন তেজস্ক্রিয় পদার্থ নিয়ে কাজ করার কারণে তার মৃত্যুর সঙ্গে বিকিরণের প্রভাবের সম্পর্ক ছিল বলে ধারণা করা হয়। তবে তার গবেষণা ও আবিষ্কার বিজ্ঞানের ইতিহাসে স্থায়ী জায়গা করে নিয়েছে। চিকিৎসাবিজ্ঞানসহ নানা ক্ষেত্রে তেজস্ক্রিয়তার ব্যবহার বিকাশেও তার কাজ গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রেখেছে।