キュリー夫妻はベクレルの報告を受けて、ピッチブレンド鉱石の放射能がウラン含有量だけでは説明できないことを発見しました。二人は湿式化学による分別沈殿と硫化物生成を何百回ともなく繰り返し、微量成分の放射強度を測定する手法を確立しました。1898年、放射能が極めて高い新元素ポロニウム（元素番号84）を分離し、同年末にはさらに数千倍の放射能を示すラジウム（元素番号88）を単離しました。彼らの測定には石英リーフ電位差計と改良型電離室を用い、感度は従来比で約100倍に達しました。ラジウム塩は強いエネルギー放出により自ら発熱し、医療用のがん治療（ラジウム針治療）の先駆けとなりました。夫妻は放射能が元素固有の原子核的性質であると結論づけ、原子変換の概念を科学界に定着させました。こうした研究過程は、再現可能な定量測定と大規模試料処理の重要性を示し、分析化学と原子物理学の橋渡しを行いました。その後のラザフォードらによるα・β線の分離や核反応理論の構築は、キュリー夫妻の成果を直接受け継いでいます。

キュリー夫妻の研究は、当時工業副産物であったヨアヒムスタール産ピッチブレンドを数トン単位で入手し、リットルスケールのビーカーで硫酸・塩酸溶解後、バリウム塩として沈殿させる工程から始まりました。放射能測定には、ピエールが開発した感度10^-11 Aレベルのクオーツ電位差計が用いられ、自然放電率の差分測定によって微弱な電離電流を定量しました。二人は分配係数と沈殿曲線を解析し、放射性成分がバリウムと化学的に類似することから新元素ラジウムを予測しました。スペクトル分析と原子量測定の結果、ラジウムの原子量を225付近と見積もり、周期律表における位置を確定しました。ラジウム塩1 gあたり約100 kcal/dayの発熱は当時の化学反応と比較して桁違いであり、原子核エネルギー密度の存在を示唆しました。キュリー夫妻はまた、放射能の時間依存性を調べることで崩壊法則の指数減衰モデルを実験的に支持しました。彼らのデータはのちのSoddyによる質量エネルギー保存則拡張や同位体概念確立に寄与しました。医療応用として、放射性線源を密封したラジウムブレーキ療法が初めて試行され、悪性腫瘍を縮小させる有効性が報告されました。研究過程で夫妻は大量の放射線を浴び、健康被害を受けたことから、放射線安全学（ラジオプロテクション）の必要性が認識される契機となりました。キュリー研究所における後進育成は、20世紀初頭の原子核化学および放射線生物学の中核人材を輩出することに繋がりました。

キュリー夫妻は電離法による活性定量をμC s^-1感度まで拡張し、バリウム群沈殿から分離した濃縮画分中のRa/Ba比をICP発想前の重量法で推定した。1899年の論文では、ラジウム塩の比放射能が3.7×10^10 Bq g^-1であると報告し、後にキュリー(Ci)の定義に発展した。彼らはポロニウム系列の連鎖崩壊を検証し、崩壊エネルギーがMeVオーダーであることを熱測定により示唆した。ピエールは磁性測定の経験を活かし、低温下での放射能変化を調べた結果、温度係数がほぼゼロであることを明らかにし、自発性の核起源を補強した。夫妻はZnSスクリーンを用いてα線のシンチレーション観測を試み、発光閃光の計数により放射線粒子概念を定性的に実証した。ラジウムのγ線スペクトルについてはレントゲン線と比較し、管電圧無依存の固定波長ピークを示すことから内部励起であると解釈した。無水ラジウム塩は自己発熱で温度上昇を起こし、カロリメトリ―から崩壊パワー密度を約140 W kg^-1と算定した。これらデータはラザフォード–ヴィルソン計算式や核反応クロスセクション理論の初期検証に用いられた。マリ・キュリーは分光器の改良を行い、Ra子孫核種の特性X線を初めて同定し、核種識別のスペクトロスコピー手法を確立した。こうした成果は放射性系列図の完成を促進し、現代核データベース構築の基礎資料として参照され続けている。