Frédéric közepes tanuló volt, érdeklődését inkább a futball és a Verne-könyvek kötötték le. 1923-ban a párizsi Fizikai és Kémiai Műszaki Főiskolán évfolyamelsőként szerzett mérnöki diplomát, katonai szolgálatának letelte után a kutatásnak szentelte magát. 1925-ben került a Radiológiai Intézetbe, ahol munkatársa lett Irene Curie, a Nobel-díjas Curie házaspár leánya. A fiatalok egymásba szerettek s 1926. október 9-én összeházasodtak, Joliot ekkor vette fel a Curie nevet is, hogy a tudományban oly jól csengő név ne tűnjön el.
Feleségével a radioaktivitást kutatták, ő a téma kémiai, Irene fizikai aspektusára összpontosított. Hajszál híján megtalálták a rég keresett neutront, ám Chadwick megelőzte őket, nem sokkal később a pozitront, de ez a dicsőség Andersonnak jutott. Végre 1934-ben az alumínium alfa részekkel való bombázásakor felfedezték a mesterséges radioaktivitást, amelyért a következő évben kémiai Nobel-díjat kaptak. Felfedezésük új korszakot nyitott, mára szinte minden ismert elemnek létezik radioaktív izotópja, némelyiknek tucatnyi is, ezek fontos szerepet játszanak az orvostudományban, az iparban és a kutatásban.
A II. világháború alatt felesége gyermekeikkel Svájcba menekült, ő pedig részt vett az ellenállásban. Laboratóriumában robbanóanyagokat gyártottak, Párizs felszabadításakor fegyverraktárként is szolgált, ezért a háború után a Becsületrend parancsnoka lett. 1946-ban az akkor alapított Francia Atomenergia Bizottság főbiztosává nevezték ki, a chatilloni erődben az ő irányításával helyezték üzembe 1948. december 15-én az első francia atomreaktort.
Míg tudományos tevékenységét csak elismerés övezte, politikai szerepvállalása a Szovjetunió által támogatott békemozgalomban már vitatottabb. 1950-ben kezdeményezője volt az atomenergia háborús felhasználását elítélő stockholmi felhívásnak, 1951-ben a Béke Világtanács elnökévé választották és Sztálin-békedíjat kapott. Mivel meggyőződéses kommunistaként támadta a francia kormány politikáját, felmentették főbiztosi tisztségéből, de kutatásait folytathatta. A Nemzeti Tudományos Kutatási Központ (CNRS) atomfizikai részlegét vezette, 1956-ban felesége halála után ő vette át annak tanszékét és a Rádium Intézetet. 1958. augusztus 14-én bekövetkezett halála előtt még láthatta az Orsay magfizikai intézetben a kutatások megindulását.
