Se consacre successivement à l'étude des cristaux, des propriétés magnétiques des corps en fonction de la température puis de la radioactivité. Ses travaux sur les cristaux le conduisent à énoncer en 1894 son "principe de symétrie" ; ceux consacrés au magnétisme lui permettent d'établir que le ferromagnétisme se transforme en paramagnétisme au dessus d'une température appelée "point de Curie". Pour ses travaux sur la radioactivité, il partage avec Henri Béquerel, découvreur de la radioactivité et Marie Curie, son épouse, le prix Nobel de physique en 1903.