Marie, ensimismada y apasionada en sus proyectos profesionales, no imaginaba que el amor iba a aparecer en su vida. Pero lo hizo, en la persona de Pierre Curie. Marie tenía veintiséis años, Pierre tenía treinta y cinco, y también era un entusiasta de la ciencia, con un prestigio ya reconocido en Inglaterra y Suiza.
El destino les unió en 1894, y desde el primer momento hubo química entre ellos. Pierre no dejó pasar mucho tiempo, y a los pocos meses le expresó su deseo de casarse con ella. Marie estaba indecisa, unir su vida a Pierre le suponía decir adiós para siempre a su amada Polonia. Transcurrieron diez meses antes de que accediera a las pretensiones de su enamorado. Pero ese día llegó, y se casaron. Su boda fue tan sencilla como ellos mismos, y su luna de miel consistió en un recorrido en bicicleta por las carreteras francesas, hospedándose en hostales, pero felices de estar juntos y deseando volver a sus laboratorios. No en vano, Marie decía: "Soy de quienes piensan que la ciencia encierra una gran belleza. Un sabio en su laboratorio no es sólo un técnico, es también un niño colocado ante fenómenos naturales que lo impresionan como un cuento de hadas".
Se instalaron en un pequeño apartamento, donde los libros eran el principal adorno. A los dos años llegó su primera hija, Irène, que con el paso del tiempo seguiría el mismo camino que sus progenitores, y ganaría también un premio Nobel.
Marie siguió con sus experimentos, seguida de cerca por su marido, que decidió dejar sus ocupaciones para acompañar a su mujer. En 1898 notifican el hallazgo de un elemento desconocido. Marie lo bautiza como polonio, en honor a su querida Polonia. A finales de ese mismo año, descubren una nueva sustancia de gran radiactividad, el radio.
Sus investigaciones traspasaron las fronteras de Francia, y científicos norteamericanos se pusieron en contacto con ellos para pedirles información. Pierre le planteó a Marie las dos opciones que tenían: "O bien describir los resultados de nuestra investigación, sin reserva alguna. O bien podríamos considerarnos propietarios e inventores del radio, y asegurarnos los derechos de la fabricación del radio en todo el mundo". Marie recapacitó un momento, para afirmar: "Es imposible. Sería contrario al espíritu científico. Además, el radio se va a emplear para combatir una enfermedad. Sería imposible aprovecharse de eso...", y así quedó zanjado el asunto. Esa misma noche Pierre facilitó a los ingenieros norteamericanos toda la información que les requerían, y con esa actitud dieron la espalda a la riqueza.
En 1903, Pierre fue invitado a dar unas conferencias en Londres sobre el radio. Más tarde, multitud de llamamientos llegarían para ambos, comidas y banquetes por toda la capital. En diciembre de ese mismo año, recibían el Premio Nobel de Física, compartido con Antoine Henri Becquerel, por sus hallazgos sobre la radiactividad.
Antoine Henri Becquerel era un físico francés que también recibió distintas distinciones, entre ellas el Premio Nobel de Física que compartió con el matrimonio Curie. Sus invenciones llamaron la atención de Marie, que en ese momento estaba interesada en hallar un tema para su tesis doctoral.
El tiempo transcurre, y las invitaciones continuas que reciben les empiezan a cansar. En la primavera de 1904, Marie manifiesta: "... ¡Siempre hay ruido a nuestro alrededor! La gente nos distrae de nuestro trabajo. He decidido no recibir más visitas, pero de todos modos se me importuna. Los honores y la fama han estropeado nuestra vida. La existencia pacífica y laboriosa que llevábamos ha sido completamente desorganizada". Ese mismo año, en diciembre, nacería su segunda hija, Ève.
La primavera de 1906 la sorprendería con un terrible acontecimiento, su marido muere atropellado por un carro de caballos. A raíz de ese trágico suceso, el Gobierno francés le otorga una pensión, pero Marie la rechaza: "No quiero una pensión. Soy joven todavía y capaz de ganarme la vida para mí y para mis hijas".
