Cursà estudis a la Sorbona, on es llicencià en ciències (1877) i treballà com a ajudant al laboratori de Q.P. Desains. El 1880 descobrí la piezoelectricitat a través d’experiments duts a terme conjuntament amb el seu germà Paul-Jacques, i a partir dels seus estudis sobre l’estructura cristal·lina elaborà una teoria general de la simetria aplicable a tots els fenòmens físics.
Per tal d’investigar a fons el magnetisme , perfeccionà alguns instruments de mesura i construí una balança aperiòdica de lectura directa ( balança de Curie ) i una balança de torsió destinada a mesurar la susceptibilitat magnètica ( balança de Curie-Chéveneau ). El nucli de la seva tesi doctoral consistia a estudiar si hi havia cap tipus de transició entre els tres estadis magnètics de la matèria coneguts fins aleshores: ferromagnètic, paramagnètic i diamagnètic; en el curs d’aquestes investigacions descobrí la relació inversa que es dóna entre la susceptibilitat magnètica dels cossos paramagnètics i llur temperatura absoluta ( llei de Curie ), suggerí que els cossos ferromagnètics podien ésser descrits per mitjà d’una equació del mateix tipus que la donada per Van der Waals per tal de descriure els gasos reals i establí analogies entre els cossos paramagnètics i els gasos perfectes i entre els cossos ferromagnètics i els fluids condensats.
A partir del seu matrimoni amb Marie Curie (1895), les investigacions d’ambdós científics seguiren un mateix camí, l’estudi de la radioactivitat. Les investigacions de P.Curie sobre els efectes fisiològics produïts per les radiacions constitueixen la base de la radioteràpia actual. El 1903 rebé el premi Nobel de física juntament amb M.Curie i H.Becquerel.