Родилась 7 ноября 1867 г. в Варшаве (Царство Польское, Российская империя) в семье учителей Владислава и Брониславы (Богушки) Склодовских. Отец преподавал физику в гимназии, мать была ее директором. Мария была младшим ребенком (имела брата и трех сестер).
С раннего детства Мария проявляла незаурядные способности и тягу к науке. В четыре года самостоятельно научилась читать. В юном возрасте работала лаборантом в химической лаборатории своего двоюродного брата. Русский химик Дмитрий Менделеев, друг отца, увидев Марию за работой, предсказал ей великое будущее.
Получить высшее образование в Польше Мария не имела возможности, так как в то время женщин не принимали в Варшавский университет. Некоторое время после окончания гимназии она работала гувернанткой.
В 1891 г. уехала во Францию и поступила в Парижский университет (Сорбонна). С увлечением посещала лекции таких известных ученых, как физик Габриэль Липман, математик Поль Аппель. В 1893 г. защитила диплом по физике, а в 1894 г. - диплом по математике.
В 1903 г. в Парижском университете защитила докторскую диссертацию на тему "Исследование радиоактивных веществ". Работа была написана на основе наблюдений радиоактивности, сделанных совместно с мужем Пьером Кюри.
В 1894 г. познакомилась с физиком Пьером Кюри, выпускником Парижского университета. Год спустя молодые люди поженились. С 1895 по 1900 г. Мария Склодовская-Кюри занималась научными исследованиями в лаборатории парижской муниципальной школы промышленной физики и химии, которую возглавлял Пьер Кюри.
После того, как в 1896 г. французский физик Антуан Беккерель обнаружил естественное излучение соединений урана, Склодовская-Кюри увлеклась исследованиями в этой области. Вскоре к ней присоединился супруг. Ученые в течение четырех лет вели свои исследования в неприспособленном помещении (заброшенном сарае), пренебрегая мерами предосторожности. В 1898 г. Склодовская-Кюри впервые использовала термин "радиоактивность", доказала, что радиоактивность урана - это свойство его атомов, открыла радиоактивность тория. В том же году Мария и Пьер Кюри объявили об открытии новых радиоактивных элементов, которые назвали радием и полонием (в честь родины Склодовской).
В 1900-1906 гг. преподавала в Севрской нормальной школе в предместье Парижа.
С 1906 г. была профессором и заведующей кафедры физики Парижского университета. Стала первой женщиной-преподавателем Сорбонны.
Совместно с французским химиком Андре Дебьерном в 1910 г. выделила металлический радий и определила его атомный вес, доказав, что он является химическим элементом. В 1911 г. впервые изготовила эталон радия, который в течение 24 лет оставался единственным в мире.
В августе 1914 г. возглавила отделение фундаментальных исследований и медицинского применения радиоактивности Института радия, который был основан в Париже в том же году при ее участии.
Во время Первой мировой войны Мария Склодовская-Кюри организовала ретгено- и радиологическое обследование раненых в парижских госпиталях, обучила работе на рентгеновских установках более 150 медсестер. Накопленный опыт обобщила в монографии "Радиология и война" (1920).
Во время поездок в США в 1921 и 1932 гг. получила в подарок от имени американских женщин два грамма радия (для проведения экспериментов). Один из них Склодовская-Кюри внесла в фонд варшавского Института радия, который был основан ею.
В последние годы жизни продолжала преподавать в парижском Институте радия, активно способствовала применению радиологии в медицине.
Скончалась 4 июля 1934 г. от лучевой анемии в санатории Санселльмозе (Пасси, Верхняя Савойя, Франция). Была похоронена на кладбище в Со (О-де-Сен) вместе с мужем Пьером Кюри, который погиб в апреле 1906 г. во время дорожного происшествия.
20 апреля 1995 г. по решению президента Франции Франсуа Миттерана прах супругов Кюри был перенесен в парижский Пантеон, на торжественной церемонии присутствовал лидер Польши Лех Валенса.
Мария Склодовская-Кюри - первая женщина, удостоенная Нобелевской премии. В 1903 г. за открытия в области радиоактивности она получила (совместно с Пьером Кюри и Антуаном Беккерелем) Нобелевскую премию по физике. В 1911 г. "за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента" Склодовская-Кюри стала лауреатом Нобелевской премии по химии. На сегодняшний момент, помимо Склодовской, обладателями двух премий являются еще трое ученых: Лайнус Полинг (1954 г. - по химии, 1962 г. - мира), Джон Бардин (1956, 1972 гг. - по физике); Фредерик Сенгер (1958, 1980 гг. - по химии).
В числе ее наград также медали Бертло Французской академии наук (1902), Дэви Лондонского королевского общества (1903), Маттеуччи Национальной академии наук Италии (1904), Альберта Королевского общества искусств (1910), премия Уилларда Гиббса (1921) и др.
Склодовская-Кюри являлась членом 85 академий и научных обществ мира, в том числе Парижской медицинской академии (1922), Петербургской академии наук (1907, член-корреспондент), Академии наук СССР (1926, почетный член). Выдвигалась кандидатом в члены Французской академии наук, но не была избрана (1911; в то время членство в академии было прерогативой только мужчин). Была постоянным участником престижных Сольвеевских конгрессов по физике (с 1911 г.).
На протяжении 12 лет входила в состав Международной комиссии по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций.
В браке с Пьером Кюри родились две дочери. Ирен (1897-1956; после замужества носила фамилию Жолио-Кюри) работала вместе с матерью в Институте радия в Париже, в 1935 г. была удостоена Нобелевской премии по химии (совместно с супругом Фредериком Жолио-Кюри). Ева (1904-2007) была театральным и музыкальным критиком.