El doctorado
Tras una doble titulación, el siguiente reto era la obtención del doctorado. Hasta ese momento, la única mujer que había logrado doctorarse era la alemana Elsa Neumann.

Retrato de 1903.El primer paso era la elección del tema de su tesis. Tras analizarlo con su marido, ambos decidieron centrarse en los trabajos del físico Henri Becquerel, que había descubierto que las sales de uranio transmitían unos rayos de naturaleza desconocida. Este trabajo estaba relacionado con el reciente descubrimiento de los rayos X por parte del físico Wilhelm Röntgen. Marie Curie se interesó por estos trabajos y, con la ayuda de su esposo, decidió investigar la naturaleza de las radiaciones que producían las sales de uranio.

El 25 de junio de 1903 Marie publicó su tesis doctoral, intitulada Investigaciones sobre las sustancias radiactivas. Defendió su tesis ante un tribunal presidido por el físico Gabriel Lippmann. Obtuvo el doctorado y recibió mención cum laude.

La cátedra de física
Tras la muerte de su esposo en 1906, Marie obtuvo la cátedra de física en la Sorbona que había sido otorgada a Pierre en 1904.

El 15 de noviembre de 1906 Marie Curie dio su primera lección en la universidad. La expectación era máxima, ya que se trataba de la primera vez que una mujer impartía una clase en la universidad. Allí acudió un gran número de personas; muchas de ellas ni siquiera eran estudiantes. En aquella primera sesión, Marie habló sobre la radioactividad.