Munkája során tökéletesítette a vegyészek egyik fontos eszközét, az analitikai mérleget, és mágnesességgel kapcsolatos kutatásokkal foglalkozott. A párizsi Fizikai és Ipari Kémiai Intézet vezetőjeként ismerkedett meg az ott dolgozó Marie Sklodowskával, akivel 1895-ben összeházasodtak. Curie – feleségével együtt – igazi, átütő sikert ért el a radioaktivitás területén. Ők fedezték fel a polóniumot és a rádiumot. Pierre elsősorban az új sugárzások fizikai tulajdonságait kutatta, és eredményeivel megteremtette a rádiumkezelés alapjait is. Munkájuk elismeréseként 1903-ban megosztott fizikai Nobel-díjat kaptak (Pierre Curie, Marie Curie, Henri Becquerel).