Maria Salomea Skłodowska néven 1867. november 7-én született a cári Oroszországhoz tartozó Varsóban pedagóguscsalád ötödik, legkisebb gyermekeként. Apja matematikát és fizikát tanított, anyja egy lányinternátust vezetett, de tuberkulózis vitte el, amikor Marie tizenkét éves volt. Az orosz elnyomás miatt lengyelként és nőként hazájában nem tanulhatott tovább. A középiskola után nevelőnőként dolgozott, szabadidejében matematikai, fizikai, szociológiai és filozófiai tanulmányokat folytatott. Összekuporgatott pénzéből jutott el Párizsba, ahol nélkülözések közepette, de évfolyamelsőként szerzett matematika-, majd fizikatanári oklevelet a Sorbonne-on. 1895-ben házasodott össze Pierre Curie kémikussal, az antiklerikáris meggyőződésű pár mellőzte az egyházi szertartást, az esküvői ruhát és a gyűrűket – ezek árából inkább biciklit vettek, és azzal mentek nászútra.
Madame Curie férje laboratóriumában a Röntgen által felfedezett sugarakat és az Henri Becquerel által felfedezett uránsugárzást tanulmányozta, ez utóbbit ő nevezte el radioaktivitásnak. Módszert dolgozott ki a radioaktivitás mérésére, s felfedezte, hogy a tórium is sugároz. Eközben jött rá, hogy az uránszurokérc erősebben sugároz, amiből nagy aktivitású ismeretlen anyag jelenlétére következtetett.
Férje ekkor félretette saját kristályfizikai munkáját, és bekapcsolódott a kutatásba, amelyhez utolsó megtakarításaikat is felhasználták. 1898-ban jelentették be a Marie hazájáról polóniumnak elnevezett új radioaktív elem felfedezését, még abban az évben azonosították a rádiumot is. Egy fűtetlen fakalyibában négy hosszú év alatt 8 tonna bányameddőből 0,1 gramm rádium-kloridot állítottak elő, ebből kénsavval vonták ki a fémet, amely olyan erősen sugárzott, hogy a sötétben látni lehetett. Eljárásukat szabadalom nélkül közkinccsé tették, holott fényesen meggazdagodhattak volna belőle. A radioaktivitás felfedezéséért 1903-ban Becquerellel megosztva fizikai Nobel-díjat kaptak, de a díjkiosztón nem voltak ott, Pierre Curie 1905-ben tartotta meg felesége nevében is előadását.
Pierre Curie a Sorbonne-on kapott katedrát, majd amikor 1906-ban halálra gázolta egy lovas kocsi, a tanszék vezetését özvegye vette át. Az egyetem első női professzorát 1911-ben a Francia Akadémia tagjának jelölték, de minden idők egyik legnagyobb tudósa egy szavazattal alulmaradt férfi vetélytársával, Édouard Branly fizikussal szemben. Néhány hónappal később viszont neki ítélték a kémiai Nobel-díjat a rádium és a polónium felfedezéséért, fémállapotú előállításáért és vizsgálatáért. Ezzel a mai napig egyedülálló módon két tudományágban is a Nobel-díj birtokosa lett.
1913-ban a Sorbonne Egyetem díszdoktorává avatta. 1914-ben megalapította a párizsi Rádium Intézetet (ma Curie Intézet) a radioaktivitás gyógyászati alkalmazásainak kutatására és a rádium előállítására. Az intézet pár évvel később a magfizikai és magkémiai kutatások központjává vált. Marie Curie haláláig dolgozott itt. 1922-ben a párizsi Orvosi Akadémia tagjai sorába választotta, az első nő volt, akit a tagsággal megtiszteltek.
Az első világháborúban megszervezte a francia katonai egészségügy röntgenhálózatát, magát a sugárzásnak kitéve röntgenkocsival járta a hadikórházakat. 1921-ben az Egyesült Államokba utazott, hogy anyagi alapot gyűjtsön a rádiummal kapcsolatos további kutatásaihoz. Második, 1929-es amerikai útja révén sikerült felszerelnie a varsói Rádium Intézetet, ahol orvos nővére, Bronisława volt az igazgató.
Kutatásai idején a radioaktivitás káros hatásait még alig ismerték. Munkája közben ő sem használt védőfelszereléseket, a radioaktív anyagokat a szabadban tárolta, üvegekben a zsebében hordozta. Korszakalkotó felfedezéseiért az életét adta. 1934. július 4-én a kelet-franciaországi Passy szanatóriumában hunyt el aplasztikus vérszegénységben, egy ritka vérképzőszervi betegségben, teste magán hordta a sugárzás okozta nyomokat, kezén égésfoltok mutatták a rádium erejét. Sceaux-ban férje mellé temették el, ahonnan 1995-ben áthelyezték földi maradványaikat a párizsi Pantheonba. (Sugárzásveszély miatt koporsójukat ólomréteg borítja, jegyzeteiket a Francia Nemzeti Könyvtár ólomtartályokban őrzi.)
1935-ben nagyobbik lánya és veje, Irene Joliot-Curie és Frédéric Joliot is megkapta a kémiai Nobel-díjat új radioaktív elemek előállításáért. Kisebbik lánya, Ève Curie Labouisse újságíró-haditudósító, zongoraművész és politikus volt, aki anyjának emléket állítva megírta életrajzát, az 1937-ben megjelent könyv bestseller lett.
Marie Curie tudománytörténeti hagyatéka és hatása a mai napig jelentős. Laboratóriuma és irodája a párizsi Curie Campus szívében, a Curie Múzeumban látható. 1967-ben Varsóban is múzeumot rendeztek be tiszteletére. Róla és férjéről nevezték el a 96-os rendszámú elemet, ez a kűrium (Cm), és három radioaktív ásványt (curite, sklodowskite és cuprosklodowskite) is, tiszteletükre határozták meg a curie-szimbólumot (Ci) mint a radioaktivitás egységét. Lublinban egyetem, Varsóban rákkutató intézet viseli Marie Curie nevét. 2011-ben Lengyelországban egy közvélemény-kutatáson ő lett minden idők legnagyobb lengyel személyisége. Élettörténete sok írót, rendezőt megihletett, legutóbb 2020-ban debütált az Amazonon a Rosamund Pike főszereplésével, Magyarországon forgatott Radioactive című film Marjane Satrapi rendezésében. 2020-ban nagy sikerrel mutatták be az életéről szóló dél-koreai musicalt, amely 2024 júniusában a londoni West Enden is debütált.
