Le projet d’un institut dédié à la recherche sur la radioactivité à Paris, à l’initiative de l’Institut Pasteur et de l’Université de Paris, voit le jour en 1909. En 1915, trois bâtiments sont édifiés : le Pavillon Curie, où se trouve aujourd’hui le musée, le Pavillon Pasteur, et le Pavillon des sources. Les trois bâtiments, oeuvre de l’architecte Henri-Paul Nénot, se trouvent au n°1 de la rue Pierre et Marie Curie, alors appelée rue Pierre Curie.
L’Institut du radium de Paris n’est pleinement utilisé qu’à la fin de la Première Guerre mondiale. Il est initialement composé de deux laboratoires : le laboratoire Pasteur pour les recherches en biologie, dirigé par le médecin Claudius Regaud, et le laboratoire Curie pour les recherches en physique-chimie, dirigé par Marie Curie. Cette dernière dirige depuis 1906 le laboratoire Curie, après la mort tragique de Pierre Curie. À partir des années 1920, des services de soin sont également créés, où l’on utilise les rayons ionisants afin de traiter des malades de cancer.
Le laboratoire de l’Institut du radium est le troisième laboratoire Curie, après les locaux “de la découverte” occupés par Marie et Pierre Curie à l’École de physique et chimie industrielles de la ville de Paris jusqu’en 1904, et ceux de la rue Cuvier où se trouve encore le laboratoire Curie en 1914. Le personnel et une grande partie des instruments sont transférés dans les nouveaux locaux depuis la rue Cuvier. Marie Curie dirige ce troisième laboratoire pendant presque 20 ans, jusqu’à sa mort en 1934.
