Do jej największych dokonań należą: opracowanie teorii promieniotwórczości, technik rozdzielania izotopów promieniotwórczych oraz odkrycie dwóch nowych pierwiastków — radu i polonu. Pod jej osobistym kierunkiem prowadzono też pierwsze w świecie badania nad leczeniem raka za pomocą promieniotwórczości.
Dwukrotnie wyróżniona Nagrodą Nobla za osiągnięcia naukowe, po raz pierwszy w 1903 z fizyki wraz z mężem i Henrim Becquerelem za badania nad odkrytym przez Henriego Becquerela zjawiskiem promieniotwórczości, po raz drugi w 1911 z chemii za wydzielenie czystego radu. Do dziś pozostaje jedyną kobietą, która tę nagrodę otrzymała dwukrotnie, a także jedynym uczonym w historii uhonorowanym nagrodą Nobla w dwóch różnych dziedzinach nauk przyrodniczych[2]. Prekursor nowej gałęzi chemii — radiochemii.