בשל עמדותיה הפוליטיות של משפחתה ובשל היותה אישה, לא הותר לקירי ללמוד באוניברסיטה, ולכן למדה ב"", מעין אוניברסיטה ששיעוריה ניתנו בשעות הלילה במקומות שונים וסודיים כדי להתחמק מעיני המרגלים של האימפריה הרוסית. מארי מימנה את לימודי אחותה, ברוניסלבה, בפריז על ידי כך שעבדה במשך מספר שנים כאומנת. לאחר מכן, אחותה מימנה לה את הלימודים. בעת שעבדה בבית קרובי משפחתה התאהבה בבן המשפחה, קזימיר זורבסקי, אך הוריו התנגדו לקשר ביניהם עקב היותה חסרת כל. לאחר תום הקשר המשיך זורבסקי בקריירה אקדמית בתחום המתמטיקה, ובהמשך היה לפרופסור ורקטור ב בקרקוב.
בשנים שבהן עבדה בפולין למדה קירי ולימדה ב"אוניברסיטה הצפה" וטרחה על הרחבת השכלתה גם באופן עצמאי, תוך שהיא נעזרת כלכלית גם באביה. כמו כן, החלה את הכשרתה המדעית המעשית במעבדת המוזיאון לתעשייה וחקלאות, אשר נוהלה על ידי קרוב משפחתה. בתקופה זו דחתה את הזמנת אחותה הגדולה להגיע לפריז, בשל אילוצים כלכליים.
ב-1891, כשהייתה בת 24, עברה בעקבות אחותה המבוגרת לפריז ולמדה כימיה ופיזיקה בסורבון. לימים, הייתה לאישה הראשונה שלימדה במוסד זה, כאשר התמנתה לפרופסור לפיזיקה כללית לאחר מות בעלה, פייר, ב-1906. את שנות לימודיה העבירה בדלות כלכלית ניכרת כשהיא לומדת בימים ומלמדת בלילות, ובקושי מרוויחה את מחייתה. בשנת 1893 השלימה תואר בפיזיקה והחלה לעבוד במעבדה התעשייתית של פרופסור גבריאל ליפמן. במקביל, המשיכה ללימודי תואר שני אותם השלימה בשנת 1894, תוך הסתייעות במענק מחקר.
המחקרים הקשים.
מארי החלה את הקריירה האקדמית שלה במחקר המאפיינים המגנטיים של פלדות שונות, אשר הוזמן על ידי האגודה לעידוד התעשייה הלאומית ("Société d'encouragement pour l'industrie nationale"). בתקופה זו הכירה מארי את פייר קירי אשר היה מנחה בבית הספר לפיזיקה ולכימיה ("École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris"). ההיכרות בין השניים נעשתה על ידי פרופסור שידע שמארי מחפשת חלל גדול יותר למעבדה וחשב שפייר יוכל לסייע בכך, כפי שאכן היה. העניין המשותף של השניים במדע קירב אותם זה לזו עד שבשלב מסוים פייר הציע למארי להינשא לו.
בתחילה, מארי לא קיבלה את ההצעה שכן היה בכוונתה לשוב לפולין. בקיץ 1894 שבה מארי לפולין לביקור משפחתי. בשלב זה עוד תכננה להמשיך לעסוק בפולין בתחום עיסוקה, אולם נדחתה על ידי אוניברסיטת קרקוב בשל היותה אישה. בעקבות זאת, שבה לפריז והחלה בלימודי דוקטורט. במקביל, פייר כתב את מחקרו על מגנטיות וקיבל דוקטורט בשנת 1895 וביולי באותה שנה נישאו השניים, בטקס שאינו דתי. לזוג נולדו שתי בנות.
ברקע למחקר של מארי ופייר על חומרים רדיואקטיביים עמדו שתי תגליות משמעותיות שהתגלו באותו הזמן. הראשונה בהן היא גילוי קרני רנטגן על ידי וילהלם רנטגן בשנת 1895 והשנייה היא תגליתו של הפיזיקאי אנטואן אנרי בקרל משנת 1896 לפיה מלחי אורניום פולטים קרינה שדומה לקרינת רנטגן ביכולתה לחדור עצמים. בעקבות שתי תגליות אלה החלו מארי ופייר לחקור חומרים רדיואקטיביים, בדגש על עפרת האורניום, המכונה פיצ'בלנדה, שהייתה רדיואקטיבית יותר מאורניום. נושא הרדיואקטיביות היה גם נושא עבודת הדוקטורט של מארי קירי (קירי עצמה המציאה את המונח רדיואקטיביות).
ב-1898 הגיעו השניים למסקנה כי העפרה הכילה רכיב רדיואקטיבי יותר מאורניום. במשך כמה שנים ובעבודה קשה זיקקו בני הזוג כמה טונות עפרת פיצ'בלנדה, כשהם מגדילים בהדרגה את ריכוז החומרים הרדיואקטיביים, עד שבסופו של דבר זיהו שני יסודות כימיים חדשים. לראשון קראו פולוניום, על שם מולדתה של מארי קירי, ולשני קראו רדיום מכיוון שבחושך הוא זוהר באור כחלחל (ומכאן שמו - radius בלטינית פירושו "קרן אור").
בשנת 1903 קיבלה קירי יחד עם בעלה ועם אנרי בקרל פרס נובל לפיזיקה, בהוקרה על "התרומה היוצאת מן הכלל שהשיאו באמצעות מחקריהם המשותפים על תופעת הקרינה שהתגלתה על ידי פרופסור אנרי בקרל". בכך הייתה לאישה הראשונה שזכתה בפרס נובל. שמונה שנים לאחר מכן זכתה מארי קירי שוב בפרס נובל והפעם פרס נובל לכימיה. הפרס ניתן לה בהוקרה על גילוי הרדיום והפולוניום, ועל חקר הרדיום. בצעד יוצא דופן לא רשמה קירי פטנט על תהליך בידודו של הרדיום, ובכך אפשרה לקהילה המדעית מחקר ללא הפרעה. קירי הייתה האדם הראשון שקיבל או חלק שני פרסי נובל. היא אחת משני האנשים היחידים בהיסטוריה שזכו לפרס נובל בשני תחומים שונים (השני הוא לינוס פאולינג שקיבל פרס נובל לכימיה ופרס נובל לשלום).
בשנת 1906 נהרג פייר קירי בתאונת דרכים ומארי לא נישאה שוב, אם כי נודע שקיימה פרשיית אהבים עם הפיזיקאי הנשוי פול לנז'בן.
במהלך מלחמת העולם הראשונה יזמה קירי הפעלה של מכוני רנטגן ניידים לסיוע לפצועי מלחמה.
מותה.
קירי נפטרה ב-4 ביולי 1934. מחלתה אובחנה כאנמיה אפלסטית (Aplastic anemia), אך הדעה הרווחת במחקר במאה ה-21 היא שמדובר היה בתסמונת קדם-לויקמית (סוג של מיילודיספלזיה) הדומה לאנמיה אפלסטית, והופכת ללויקמיה קטלנית. מחלתה נגרמה כפי הנראה בעקבות חשיפתה לקרינה רדיואקטיבית ממחקריה. הערכה זו התחזקה לאחר שבבדיקות שנערכו בביתה בשנות התשעים נמצאו שרידים רדיואקטיביים ובמיוחד על ספרי הבישול שלה.
משפחתה.
בתה הבכורה, אירן ז'וליו-קירי (Irène Joliot-Curie) זכתה אף היא בפרס נובל בכימיה (יחד עם בעלה פרדריק ז'וליו-קירי) ב-1935, ובכך הפכה משפחת קירי לאחת המעטות שבהן הורה ובן או בת זוכים בפרס נובל (בתחומים שונים), כמו למשל נילס בוהר ובנו אגה בוהר. כמו כן, הנרי לבואז, בעלה של בתה אווה עמד בראש ארגון יוניצ"ף כשזה זכה בפרס נובל לשלום.
בתה אווה קירי פרסמה בשנת 1937 ביוגרפיה מקיפה על אמה. הספר זכה להצלחה גדולה ותורגם לשפות רבות כולל לעברית.
הנצחה.
לכבוד בני הזוג נקבעה יחידת המידה הקודמת לרדיואקטיביות בשם קירי. היסוד קוריום נקרא על שמה ועל שם בעלה, פייר קירי.
מספר רב של מוסדות נקראים על שמה: מכון קירי בוורשה למחקר אונקולוגי אשר נוסד על ידה כמכון הרדיום, מכון קירי בפריז אשר החל כמעבדתה באוניברסיטה של פריז ומכון פסטר, אוניברסיטת פייר ומארי קירי, ממשיכת הפקולטה למדעים של הסורבון, תוכנית מארי סקלודובסקה קירי למדענים אשר רוצים לעסוק במחקר מחוץ לארצם של האיחוד האירופי.
שני מוזיאונים מוקדשים לה, בורשה ובפריז.
בשנת 1995 הועבר ארונה ונקבר בפנתאון של פריז, האישה הראשונה שזכתה לכבוד זה.
מספר ביוגרפיות נכתבו אודותיה, בהן כאמור על ידי בתה איוו קירי ופרנסואז ז'ירו ב-1981. סרט קולנוע עליה בשם "מאדאם קירי" הופק בהוליווד והיה מועמד לפרס האוסקר של שנת 1943. בשנת 2019 הופק הסרט " מאדם קירי" בכיכובה של רוזמונד פייק.
מחקר של קירי.
הרדיואקטיביות כתכונה אטומית.
בקרל גילה כי הקרינה הנפלטת ממלחי האורניום הופכת את האוויר למוליך. מארי קירי ניצלה תכונה זו כדי לבחון באופן כמותי את עוצמת הקרינה הנפלטת מחומרים שונים. היא נעזרה באלקטרומטר הפיאזואלקטרי שפותח על ידי פייר קירי ואחיו ז'אק כדי למדוד את הזרם הזעיר העובר דרך דוגמת אוויר החשופה להשפעת החומר הרדיואקטיבי, כאשר מופעל עליה מתח גבוה (100V).
קירי בחנה באלקטרומטר את כל היסודות שהיו ידועים בתקופתה, כולל רבות ממתכות המעבר והלנתנידים (נאודימיום, פרסאודימיום, סקנדיום, גדוליניום, ארביום, סמריום, איטריום ואיטרביום) ויסודות שזה לא מכבר נתגלו (גליום, גרמניום ורובידיום). במקרה של היסודות הנפוצים היא בחנה מספר תרכובות שונות, ועבור היסודות הנדירים – את אלו שהצליחה להשיג מעמיתיה הכימאים. בנוסף בחנה מספר רב של סלעים ומינרלים.
בטבלה מופיעות מספר דוגמאות לעוצמת הזרם שמדדה עבור תרכובות שונות של אורניום:
מחקרה העלה את המסקנות הבאות:
על סמך מסקנותיה העלתה קירי שתי השערות:
כדי לאשש את ההשערה השנייה, הכינה קירי כלקוליט (מינרל המכיל אורניום) באופן מלאכותי מיסודותיו, והראתה כי פעילותו נמוכה בהרבה מזו של הכלקוליט הטבעי, ואף מזו של האורניום (שורה אחרונה בטבלה לעיל).
המהלך הכימי.
כדי לבודד את היסוד הלא-ידוע, שהרדיואקטיביות שלו רבה יותר משל האורניום, ביצעה קירי אנליזה כימית למינרל זיו הזפת, שהראה את הפעילות הגבוהה ביותר במחקרה הראשוני. הטכניקה בה השתמשה היא המסת המינרל בחומצה והפרדת היסודות על ידי תגובות שיקוע והמסה: הוספה של מימן גופרי לתמיסה גורמת לעופרת, ביסמות, נחושת, ארסן ואנטימון לשקוע כתרכובות גופרית לא מסיסות; הוספה של אמון גופרי ממיסה ומסלקת את הארסן והאנטימון; חומצה חנקתית ממיסה את הביסמות והנחושת, ומשאירה את העופרת כמשקע; הוספה של אמוניה לתסנין גורמת לשקיעה של הביסמות. פייר ומארי עקבו אחרי תהליך ההפרדה באמצעות האלקטרומטר, ומצאו כי היסוד הרדיואקטיבי הנעלם מלווה את הביסמות בכל התהליכים. כדי להפרידו מהביסמות השתמשו בטכניקה נוספת: חימום הביסמות הגופרי בצינור זכוכית. היסוד הנעלם המריא ונאסף בחלקים הקרים יותר של הצינור, בעוד תרכובת הביסמות נשארת ברובה באזור המחומם. בדרך זו הצליחו בני הזוג לרכז את היסוד הנעלם במידה כזו שהקרינה שהוא פלט הייתה גדולה פי 400 מזו של אורניום. ב-18 ביולי 1898 דיווחו על גילויו של היסוד החדש לאקדמיה הצרפתית למדעים, כשהם משתמשים לראשונה בשם "רדיואקטיביות" כדי לתאר את תופעת הקרינה האטומית.