在19世纪90年代初期，一个贫穷的波兰的学生玛丽·斯可罗多夫斯卡，在巴黎大学佩洛特教授的物理课上因饥饿昏倒。由于关注玛丽的健康，佩洛特邀请这位天才学者吃午饭，并询问了她关于未来计划后，为她提供了一份研究工作。佩洛特建议玛丽在化学和物理老师皮埃尔·居里的实验室进行研究，安排她在晚上的一个宴会上与他会面。尽管佩洛特试图让他们避免尴尬，害羞的彼埃尔与矜持的玛丽还是觉得很不自然。不过佩洛特教授还是成功的将玛丽介绍去了彼埃尔博士的实验室工作 。在玛丽准备来到实验室那天，彼埃尔博士认为女性与科学是不相容的，彼埃尔让他的年轻助手大卫·纳戈在实验室的角落给玛丽收拾了一个放研究设备的地方。大卫认为做研究的女人长得都一定很丑，此时，玛丽来到了实验室，大卫被玛丽的魅力所折服，殷勤的帮助玛丽收拾试验台。几周后，玛丽在做完实验准备回家时遇上暴雨，彼埃尔慷慨的分享雨伞给玛丽并送她回家，路上两人第一次聊天。聊天中，玛丽有见地的科学观察给彼埃尔留下了深刻印象。不久后，彼埃尔把自己写的新书送给了玛丽，并在扉页上写了题赠。这时，在大楼的另一位科学家贝克勒尔博士冲进实验室，兴奋的告诉彼埃尔他有个奇怪的新发现。彼埃尔邀请玛丽一起去贝克勒尔的实验室，原来贝克勒尔发现，他之前在完全黑暗无光线的情况下照的一张照片底片，无意中与一种岩石一起放进了抽屉，等他再拿出来的时候底片上的影像居然可以清晰可见。贝克勒尔猜想是某些岩石或者矿物可能会储存太阳的光或能量，然后再释放出来。因此他又拿照片做了几次实验，可是事实证明他的猜想行不通。最后他发现了原来是一种叫“铀沥青”的矿石具有辐射性，能够发光并且可以穿透黑色的相纸。玛丽认为这块石头里面应该有一小块的太阳物质。玛丽和彼埃尔带着无数的疑问回到了自己的实验室 。玛丽告诉彼埃尔，一旦她毕业了，她将回到华沙和她的父亲在一起。虽然彼埃尔告诫她不要放弃自己的研究，但玛丽坚持离开。玛丽很荣幸在毕业后成为排名第一的物理系学生。彼埃尔急于推迟她的离开，邀请玛丽在他父母的家里度过周末。在那里，玛丽受到了彼埃尔父母发欢迎，父亲尤金医生和敏锐的母亲都很喜欢玛丽。在父母家的最后一天，彼埃尔的母亲建议玛丽多留几天，但还是被玛丽婉言谢绝，玛丽坚持说她必须回到波兰。傍晚，绝望的彼埃尔闯进玛丽的房间，再次以“共同的科学梦想”为由挽留玛丽，同时大胆的向玛丽表露心声，直言自己对玛丽的感觉并提出求婚。玛丽愉快地接受了。蜜月期间，玛丽向彼埃尔透露，她的梦想是发现沥青铀矿现象之谜 。此后，夫妻两人在研究超越当时物理原则的放射性射线的过程中，在矿物碴中发现了“镭”。为了分离钡与镭，他俩在最恶劣的环境中历尽千辛万苦，终以“微量除钡法”得到镭的结晶体。居里夫妇将这一重大发现公诸于世，因而成为世界上唯一一个两次获得诺贝尔奖金的女科学家。在领奖前皮埃尔却不幸遇车祸身亡。居里夫人强忍悲恸，继续进行科研工作 。