1903-ban professzora, Henri Becquerel felügyelete alatt Marie megkapta doktori címét, Franciaországban elsőként, mint nő. Ugyanebben az évben Pierre Curie, Marie Curie, és Henri Becquerel együttesen megkapták a fizikai Nobel-díjat, „…elismerésül azért a rendkívüli szolgálatért, melyet csoportmunkával nyújtottak a Henri Becquerel által felfedezett radioaktív sugárzás további kutatásában”. Marie és Pierre nem tudtak Stockholmba menni, hogy személyesen átvegyék a díjat. Életük messze volt a fényűzéstől. A Nobel-díj honoráriumának egy részéből újratapétázták párizsi lakásuk falait és modernizálták fürdőszobájukat, a maradék pénzt pedig megosztották az arra szoruló diákokkal és ismerősökkel.
A Nobel-díj hirtelen híressé tette a Curie házaspárt. A svéd akadémia történetében Marie Curie volt az első nő, akit a díjjal megtiszteltek. A Sorbonne-on Pierre professzori beosztást kapott, azonkívül engedélyt saját laboratóriuma felállítására; a laboratórium kutatási igazgatójaként az egyetem Marie-t nevezte ki. A tudományos közösség is egyre jobban elismerte a munkáját és 1911-ben a svéd királyi Tudományos Akadémia neki ítélte az 1911-es kémiai Nobel-díjat, „elismerésképpen a rádium és polónium felfedezésért, a rádium sikeres izolálásáért, és ennek a figyelemreméltó elemnek további tanulmányozásáért”. Ekkor egy híres és tanult lengyelekből álló delegáció, köztük a világhírű regényíró Henryk Sienkiewicz, megjelent Párizsban, hogy Marie Curie-t visszacsalogassa (az akkor még orosz–német–osztrák uralom alatt álló) hazájába. A terv sikertelenséggel zárult; a Nobel-díj átvétele után egy hónappal Marie-t depresszióval és vesebántalmakkal kórházba kellett szállítani. 1910 és 1911 között Marie-nek viszonya volt a nála öt évvel fiatalabb Paul Langevin fizikussal. Mivel Langevin házas ember volt, aki otthagyta feleségét, az ügy botrányba fulladt, amit aztán Curie akadémiai ellenzéke annak rendje és módja szerint ki is használt. Annak ellenére, hogy Marie híres tudós volt, aki Franciaországban dolgozott, a lakosság idegengyűlölő rétege ellene fordult – hasonlóképpen a Dreyfus-ügyhöz – és félrevezető módon suttogni kezdtek Curie esetleges zsidó eredetéről. Curie a szenzációhajhász újságok hasábjain jó ideig mint házasságromboló szerepelt. Érdekes módon évekkel később Marie unokája, Hélène Joliot, Paul Langevin unokájához, Michel Langevinhez ment nőül.
Második Nobel-díja nagyban hozzájárult ahhoz, hogy Curie-nek sikerült meggyőznie a francia kormányt a Rádium Intézet megalapításának szükségességéről (Institut du radium, ma Institut Curie). Miután az intézetet 1914-ben megépítették, megkezdődött a kutatás a kémia, fizika, és az orvostudomány terén. A hely még négy Nobel-díj nyertesnek lett a bölcsője; ezek között volt Marie lánya, Irène Joliot-Curie, és veje, Frédéric Joliot-Curie. Az első világháború alatt Curie szorgalmazta a mozgatható radiografikus egységek, népszerű nevükön a petites Curies („kis Curie-k”) használatát, a katonák sebesüléseinek jobb kivizsgálásáért. Ezek a szerkezetek rádiumcsövekből álltak, ezek egy színtelen, radioaktív gázt bocsátottak ki, amit később radon néven ismert meg a világ. Skłodowska-Curie személyesen szolgáltatta a csöveket, amelyeket tisztított rádiumból állított elő. Röviddel a háború kitörése után az ő és férje arany Nobel-medálját is háborús célokra adományozta. 1921-ben az Egyesült Államokba utazott, hogy előteremtse a rádiummal kapcsolatos további kutatásokhoz az anyagiakat. Amerikában szívesen fogadták. Ugyan a nyilvános szereplés kimerítette, célját elérte. Második amerikai útja 1929-ben elég gyümölcsöző volt és sikerült felszerelnie az 1925-ben megalakult varsói Rádium Intézetet, ahol orvos nővére, Bronisława volt az igazgató.
