1931年底，二人开始研究德国物理学家W·玻特的实验，即用α粒子轰击铍，这时放出的不是通常实验所出现的质子，而是一种穿透力极强的射线，玻特认为是一种γ辐射，当时即称为铁辐射。不久，约里奥－居里夫妇凭借高超的实验技能和良好的设备，不但很容易地重复了玻特的实验结果，而且进一步观测石蜡是否会吸收这种铍辐射。他们惊奇地发现辐射未被吸收，反而加强了。经过对从石蜡里飞出的粒子鉴别，认定从石蜡里飞出的是质子「这是不可思议的，如果铍辐射是质量近于零的光子。怎么能够把质量是电子的1840倍的质子撞击出来呢，伟大发现就在眼前，但他们仍沿玻特的错误思路想下去，认为铍辐射是一种康普顿效应。

1932年1月18日，他们把这一实验结果和自己的见解发表了。刚好一个月后，卢瑟福的学生、对中子概念早有精神准备的英国物理学家查德威克重新解释了约里奥－居里夫妇的实验，认为铍辐射是一种中性粒子流，这种粒子的质量近似于质子质量。这样，卢瑟福12年前关于存在中子的预言被证实了，查德威克也因此获得了1935年度的诺贝尔物理学奖。客观地评价这件事，应该说约里奥一居里夫妇对中子的发现做了真正重要的工作，查德威克本人也完全承认这一点。但在伟大发现边缘而使机遇从面前溜走，原因仍在他们本身。他们自己事后承认，他们根本不知道卢瑟福关于存在中子的假设，缺乏作出这一重大发现的敏感性和想象力，而教训在于他们作为实验物理学家只埋头于自己的实验，没有同时注意学术思想的广泛交流。如不随时吸取他人创造性的新思想，机遇还会一失再失！事实正是如此，1932年，在美国物理学家安德森发现正电子以前，约里奥一居里夫妇就曾经在云室中清楚地观察到了正电子径迹，但他们没有认真研究出现的奇特现象，误认为只是向放射源移动的电子。直到安德森提出正电子实验报告后，他们才明白又一次重大发现的机会失去了。

经过连续两次失误之后，约里奥－居里夫妇并没有灰心丧气，他们总结了经验教训，在1933年5月23日，通过开创性的工作证实：从针加被源中发出的模V射线，通过物质后产生了正负电子冰两个月后，又记录到了单个正电子及其连续谱。他们一直坚持研究这种现象，在1934年1月19日，发现用钋产生的α粒子轰击铝箔时，若将放射源拿走，“正电子的发射也不立即停止。铝箔保持放射性。辐射像一般放射性元素那样以指数律衰减。”它们发射出中子和正电子，最终生成放射性磷。用同样的方法他们还发现了其他一些人工生成的放射性物质，此即人工放射性。这是20世纪最重要的发现之一。是人类变革微观世界的一个突破，为同位素和原子能的利用提供了可能，他们因此获得了1935年度的诺贝尔化学奖。

1938年奥托·哈恩作出了震撼世界的伟大发现--核裂变，正像查德威克能发现中子一样，也完全得力于约里奥一居里夫妇的实验发现。其后，约里奥一居里夫妇证明了裂变产生的中子能够引起链式反应。核裂变和链式反应的发现，是实际利用原子能的依据。它为人类开发新的能源开辟了广阔的前景。

约里奥—居里夫妇对科学研究的献身精神、执著的追求、精湛的实验技术，堪称实验物理学家的典范。他们多次为别人获得诺贝尔奖做铺路石，对后人也颇有教育意义。

约里奥—居里夫妇作为知名科学家，在第二次世界大战期间，与纳粹进行了坚决的斗争，是著名的反法西斯战士。约里奥一居里夫妇由于长年累月使用放射性制剂进行工作，健康受到损害。I.约里奥一居里由于白血病于1956年逝世，终年59岁。F.约里奥一居里因肝病于1958年逝世，终年58岁。