A Sorbonne-on tanult, 1878-től az egyetem laboratóriumi munkatársa lett. Fivérével, Jacques Curie-vel együtt kristálytani vizsgálatokat végzett, a piroelektromosság tanulmányozása során felfedezték a piezoelektromosságot. A mágnesesség három ismert típusa, a ferromágnesesség, paramágnesesség és diamágnesesség vizsgálata során megfogalmazta a Curie-törvényt. Róla nevezték el az általa szerkesztett Curie-mérleget, és a Curie-pontot. 1894-ben ismerkedett meg Maria Sklodowska-val, a következő évben házasodtak össze. A Henri Becquerel által 1896-ban felfedezett radioaktív sugárzást vizsgálva az uránszurokérccel kísérleteztek és 1898 nyarán felfedezték a polóniumot, majd néhány hónappal később az ennél jóval nagyobb aktivitású rádiumot is. Pierre elsősorban az új sugárzások fény-, vegyi és élettani hatásait tanulmányozta, vizsgálta a mágneses tereknek a rádium által kibocsátott sugárzásra gyakorolt hatását. 1903-ban Henri Becquerellel és feleségével, Marie Curie-vel megosztva kapta meg a fizikai Nobel-díjat. Róla és feleségéről nevezték el a radioaktív sugárzás egységét, a curie-t (Ci). 1906-ban, közlekedési balesetben húnyt el.