Seguiu um período de varias tentativas que não deram certo para ela. Maria e seu marido trabalharam muito juntos, e suas letras se alternam nos cadernos de laboratório onde eram anotadas suas idéias e experimentos. A separação por inteiro do novo elemento não foi conseguida.Entanto, através de muitos processos de purificação, foi possível obter um material que ainda se parecia com o bismuto, mas era 400 vezes mais ativo do que o urânio. Os Curie mantiveram a hipótese de que pudesse haver um novo elemento na substância que havia sido separada, e deram a esse novo elemento o nome de “polônio”, em homenagem à terra natal de Maria.

Continuaram a investigar a pechblenda, com a ajuda de Georges Bémont,Marie e Pierre descobriram que era possível encontrar mais que uma substância fortemente radioativa.De novo, essa substância parecia ser muito dificil de ser isolada. Após uma série de reações químicas, como o polônio, foi possível conseguir um material fortemente radioativo, mas suas propriedades químicas eram iguais às do bário. Como na situação anterior, teve como aumentar a concentração do material radioativo, através de processos de dissolução e precipitação, com isso obtendo um material 900 vezes mais ativo do que o urânio puro, no entanto sem conseguir uma separação total do bário. Eles começaram a supor que havia um elemesnto novo que era desconhecido misturado ao bário, e deram a ele o nome de “rádio”.

Para tentar demonstrar a existência de alguns elementos novos, os Curie tiveram que imaginar um testedecisivo:como analisar o especto dos materiais radioativos que haviam obtido.Cadaelemento químico,quando é vaporizado e percorrido por uma descarga elétrica, acaba emitindo uma luz cujo aspecto é luminoso, constituído por algumas linhas luminosas coloridas. A expectativa deles era que o espectro do bismuto radioativo(que supostamente continha polônio) e o do bário radioativo(que supostamente continha rádio)mostra linhas espectrais novas,bem diferentes das dos elementos já conhecidos, o que seria uma das importantes confirmações de suas hipóteses.

No caso do bismuto radioativo, o teste acadou sendo um fracasso. Eugène Demarçay, um químico que trabalhava com Curie na Escola, especialista em espectroscopia, fez o teste para eles. Apesar de todos os seus esforços, não conseguiu notar nenhuma raia espectral nova. Entanto, alguns meses depois, fazendo esse mesmo teste com o bário radioativo, a expectativa se confirmou: Demarçay encontrou uma raia luminosa diferente de todas as conhecidas, e que era bem mais visível no material radioativo. Essa foi uma forte evidência a favor da existência do rádio, o elemento químico. O trabalho em que esses resultados eram apresentados foi lido na Academia de Ciências de Paris um dia após o Natal: 26 de dezembro de 1898.

Com os resultados inesperados e extremamente importantes obtidos em 1898, estava aberto o caminho para os estudos que o casal Curie realizou nos anos seguintes. A linha fundamental de trabalho passou a ser a de tentar isolar o polônio e o rádio da pechblenda, procurando obter esses elementos em forma pura, para determinar suas propriedades (especialmente o peso atômico). Durante quatro anos, de 1899 a 1902, o trabalho a que eles se dedicaram – realizado em sua maior parte por Maria – foi tratar quimicamente uma tonelada de pechblenda, purificando gradualmente seus materiais radioativos. O polônio, infelizmente, conseguiu resistir a todas as tentativas que fizeram, e não foi isolado por eles. Obtiveram, no entanto, cerca de um décimo de grama de cloreto de rádio quase puro, e conseguiram determinar o peso atômico desse elemento: aproximadamente 225.

Durante esses quatro anos, a teimosia de Maria Curie não lhe permitiu desistir do trabalho, mesmo quando ele parecia não avançar. O esforço físico exigido pelo trabalho era enorme, pois ao invés de utilizar pequenos tubos de ensaio era preciso manipular baldes e caldeirões com cerca de 20 kg de material de cada vez, transportando os recipientes de um lado para o outro, fervendo os líquidos, misturando com outros, borbulhando enormes quantidades do ácido sulfídrico fedorento, etc