Tras unos experimentos con pechblenda realizados en 1898, Pierre y María Curie habían predicho la existencia de un nuevo elemento, al que llamaron polonio. Marckwald dudaba de si se traba de un elemento o un compuesto pero el mismo realizó una serie de experimentos con pechblenda para estudiar las propiedades de las sustancias a las que llamó fototrópicas^[3]​ (hoy llamadas radiactivas). Tras continuados estudios, en 1903 afirmó haber aislado un nuevo elemento al que llamó radiotelurio.^[4]​

Tras unos experimentos de María Curie, demostró que el elemento de Marckwald tenía las mismas propiedades y se trataba del mismo elemento al que los esposos Curie habían llamado polonio.^[2]​

También hizo aportaciones de interés en química orgánica:

Esta reacción permite la síntesis de aziridinas (etileniminas)^[5]​^[6]​ por eliminación de haluros de hidrógeno a partir de haloaminas (derivado halogenado de amina) alifáticas vecinales tratadas con álcalis. El método permite obtener aminas cíclicas de 3 hasta 6 átomos de carbono.

Estudió la resolución cinética,^[7]​ un mecanismo enantioselectivo por el que dos enantiómeros muestran diferentes velocidades de reacción.

En 1904 realizó la primera catálisis asimétrica,^[8]​ uno de los campos de la síntesis asimétrica, un mecanismo que permite obtener sustancias ópticamente activas, a partir de compuestos de constitución simétrica.^[9]​ Se trataba de una descarboxilación enantioselectiva de un derivado de ácido malónico, el ácido 2-etil-2-metilmalónico mediada por la brucina^[10]​^[11]​ para dar el ácido 2-metilbutírico con un exceso de un 10% de enantiómero.

Chem. Ber. 37 (1904)