Родена е на 7 ноември 1867 г. във Варшава. Завършва Варшавската гимназия със златен медал през 1884 г. Известно време работи като гувернантка в богати буржоазни семейства, за да следва във Факултета по естествознание в Парижкия университет през 1891-1894 г. Получава две дипломи – по физика и по математика.
През 1895 г. се омъжва за френския физик Пиер Кюри и от същата година започва да работи в неговата лаборатория във Висшето училище по физика и химия (Париж).
През 1900-1906 г. е преподавател в Екол Нормал в Севър.
През 1903 г. защитава в Парижкия университет докторска дисертация на тема “Изследване на радиоактивни вещества”.
От 1906 год. е професор в Парижкия университет и завежда катедрата, ръководена преди това от Пиер Кюри.
От 1914 г. е същевременно директор на Радиевия институт. Научните й работи са в областта на радиоактивността и нейното приложение.
От 1897 г. започва да изследва лъчението, открито през 1896 г. от френския физик Антоан Анри Бекерел и през същата година стига до извода, че излъчването на урановите соли е свойство на самите уранови атоми. През следващата, 1898 г., Мария Склодовска-Кюри, независимо от Г. Шмит, доказва наличието на радиоактивност в торий (Thorium, Th), като отбелязва, че радиоактивността на някои минерали, съдържащи уран (Uranium, U) и торий (Th), е много по-висока, отколкото би могла да се очаква. Тя допуска, че тези минерали (настуран, халколит и аутонит) съдържат нов, силно радиоактивен елемент, различен от уран (U) и торий (Th). Този хипотетичен елемент тя търси заедно с Пиер Кюри в настурановата руда. В резултат на съвместната им напрегната и търпелива работа по повишаване концентрацията на активното вещество чрез преработката на големи количества настуран, те откриват през юли 1898 г. един от тези елементи – полоний (Polonium, Po), а през декември на същата година втори елемент – радий (Radium, Ra). През 1902 г. Мария Склодовска-Кюри получава няколко дециграма чиста радиева сол, а през 1910 г. заедно с френския химик Андре Дьобиерн – метален радий (Ra). Тя определя атомното тегло на радий (Ra) и мястото му в периодичната таблица на химичните елементи.
През 1903 г. за изследванията си върху радиоактивността съпрузите Кюри (заедно с Антоан Анри Бекерел) са удостоени с Нобелова награда по физика, а през 1911 г. на Мария Склодовска-Кюри е присъдена Нобелова награда по химия за получаването на метален радий (Ra). Съпрузите Кюри се отказват от материалното възнаграждение за откриване на радий (Ra) и не го патентоват, макар че нямат дори малка физическа лаборатория и необходими условия за научна работа (своето знаменито откритие те правят в сградата на стар склад). Мария Склодовска-Кюри изследва радиоактивността на много елементи, изучава техните свойства, разработва основните принципи на количествените методи на радиоактивните измервания, изучава насочената радиоактивност, открива влиянието на радиоактивното лъчение върху живата клетка, първа използва радиоактивността (радиевата еманация) в медицината, въвежда термина “радиоактивност” и т.н.
През годините на Първата световна война (1914 – 1918 г.) организира около 220 подвижни и стационарни рентгенови апаратури за рентгено- и радиологично обслужване във френските болници.
Забележителните открития, направени от Мария Склодовска-Кюри и Пиер Кюри, откриват нова ера – ерата на използване на атомната енергия.
Член на много академии на науките и научни дружества.
Умира на 4 юли 1943 г. от левкемия.