В июле 1898 года Мария и Пьер Кюри объявили об открытии нового элемента, который назвали полонием — в честь родины Марии, Польши. В декабре того же года они сообщили об открытии второго элемента — радия (от лат. radius — «луч»), по химическим свойствам близкого к барию, но в 2−3 миллиона раз активнее урана.
Поскольку элементы не были выделены в чистом виде, супругам предстояло доказать их существование экспериментально. Они установили, что искомые вещества составляют лишь миллионную долю урановой руды. Для получения радия пришлось переработать около восьми тонн урановой смоляной обманки, доставленной из рудника в Иоахимстале (Чехия). Работы велись в старом сарае без отопления и вентиляции: огромные чаны с рудой обрабатывали кислотами, растворяли, осаждали и многократно перекристаллизовывали. За четыре года Мария получила одну десятую грамма хлорида радия и определила атомный вес элемента — 225. Полоний выделить не удалось — он оказался продуктом распада радия с периодом полураспада 140 дней.
В 1910 году, уже после гибели Пьера, Мария Кюри совместно с Андре Дебьерном получила чистый металлический радий путём электролиза хлорида радия, завершив 12-летний цикл исследований. Она также изготовила первый международный эталон радия для Международного бюро мер и весов.
Супруги Кюри отказались патентовать метод получения радия, хотя один грамм стоил в 1910 году 180 тысяч долларов — эквивалент 160 кг золота. «Радий принадлежит не мне, а всему миру», — сказала Мария.