婚后第三年，玛丽生了一个女儿。玛丽下决心把对科学的热爱和做母亲的责任同时担负起来。她每天给女儿喂奶、换尿布。幸好玛丽的公公给了她很大的帮助。这位老人细心地看管这个小女孩，使玛丽有较多的时间从事她喜爱的科研工作。
那时玛丽已经考得了硕士学位，也写完了钢磁化性能的专论。下一步她该做什么呢？
按照一般的顺序，当然是准备考博士学位。可是选一个什么样的研究题目呢？玛丽仔细阅读了物理学方面的最近论著，想找出一个新奇的有希望的研究课题来。
玛丽看到一份报告，是法国物理学家贝克勒耳写的，内容是关于他发现铀矿石会放出看不见的射线，而使底片感光的研究。这真是一种奇妙的现象。这种射线是从那儿来的？具有什么性质？这是一个好题目，还没有人做过详细的研究，正可写一篇绝妙的博士论文！
玛丽的想法得到了皮埃尔的支持。于是她便立刻动手，搜罗了一些铀矿石，一个皮埃尔和他的哥哥以前所发明的压电石英静电计和测量器，一个电离室，此外便是一些瓶子。可是得找一个地方来从事她的试验呀！经皮埃尔多次向理化学校校长请求的结果，同意让他们使用一间空着的小贮藏室。这间房子阴暗、潮湿，对灵敏的测电器是极为不利的。不过玛丽倒觉得无关紧要，她首先是测量射线使空气电离的力量。多次的实验证明：射线的强度和矿石铀的含量成比例，和外界的光照、温度无关。这结果已使当时的物理学界震惊。
玛丽想来想去，觉得这种独立的射线现象一定是一种原子的特性。铀具有这种特性，别的元素难道不具备这种特性吗？玛丽把能弄到的元素或它的化合物都逐个儿检查一番。结果，她发现另外一种元素钍的化合物也会自动发出射线。玛丽认为：必须给这种独立的放射现象另起一个名称，就叫做“放射性”。
玛丽简直被放射性迷住了。由于好奇心的驱使，她几乎检查了所有的盐类、化合物、矿物质、软的、硬的以及各种奇形怪状的东西。她明白了：大凡含有铀或钍的物质，都具有放射性。
玛丽就专门研究那些有放射性的矿物。她发现，有一种铀沥青矿石的放射性，比其中照铀的含量算出来的应有的放射性大得多。难道是仪器不准，或是操作有毛病？可是反复几十次，证明测量没有错。这种过度的放射性是哪儿来的呢？玛丽想：在这种矿石中，一定含有一种放射性比铀或钍强得多的新元素。
玛丽的惊人发现使皮埃尔也感到惊奇，他决定暂时停止他自己在结晶学方面的研究，用他的全部力量和玛丽一起研究这种神奇的新元素。
这种强放射性既然是由一种新元素所产生，就一定要把它找出来。可是铀矿石的成分早就化验过了，并没有发现什么未知物质。由此可知，这种新元素在矿石中的含量一定非常非常少，以致于当时所用的分析方法都发现不了它。他们悲观地估计，至多不超过百分之一。
玛丽和皮埃尔用化学的方法，把这种矿石的各种成分分开，然后个别测量它们的放射性。经过反复地搜查，发现放射性主要集中在两种化学成分里，这是两种不同的新元素存在的象征。他们认为，现在已经可以宣布发现了这两种元素之一。
皮埃尔对玛丽说：“你给它起个名字吧！”
玛丽的祖国波兰当时已经不存在了，她喃喃地说：“为了纪念我的祖国，把它叫做‘钋’（钋是波兰的意思）吧！”
玛丽把这一发现，写在1898年7月给理科博士院的报告里。同年12月，在另一份报告里写道：“还发现另一种有强放射性的新元素，它放出的射线强到了是纯铀的900倍。我们提议叫它‘镭’（镭是放射的意思）。”