Régi tudóscsaládból származott, nagyapja harcolt Waterloonál, majd az elektrokémia egyik megalapozója lett, apja a fluoreszcencia vizsgálatában ért el eredményeket. Becquerel 1852. december 15-én született, mérnöki diplomájának megszerzése után 1888-ban doktorált. A Természettudományi Múzeumban apjával, majd annak halála után önállóan kutatta a fénykibocsátás jelenségét s tette felfedezését, amely alapjában változtatta meg az addigi elképzeléseket az atomról.

Az ő kíváncsiságát is felkeltette a Röntgen által felfedezett sugárzás, s 1896 februárjában azt kezdte vizsgálni, vajon a fluoreszkáló anyagok is kibocsátanak-e hasonló sugárzást. Fekete papírba burkolt fényképezőlemezre fluoreszkáló kristályt helyezett, majd ezt napfényre tette ki. A kísérlethez kálium-uranil-szulfátot használt és miután a lemezen valóban látható volt az ásvány képe, elkönyvelte, hogy fluoreszcencia közben röntgensugarak keletkeznek.

A következő felhős napokon nem folytathatta kísérleteit, ám amikor előhívta az előkészített, de fel nem használt lemezt, azon is éles képet talált, amit már nem okozhatott sem a napfény, sem a fluoreszcencia. Becquerel tehát új irányban folytatta kísérleteit és kimutatta, hogy az új sugárzás az uránból ered, hasonlít a röntgensugarakra, ionizálja a levegőt és áthatol az anyagokon.

A felfedezés csak akkor került az érdeklődés középpontjába, amikor egy másik elemnél, a tóriumnál is hasonlót tapasztaltak, a jelenséget 1898-ban nevezte el Marie Curie radioaktivitásnak. Becquerel 1899-ben kimutatta, hogy a sugárzás mágneses mezővel elterelhető s kimutatta az alfa és béta sugarakat.

1900-ban a béta-részecskék töltésének és tömegének aránya révén felismerte, hogy ezek azonosak a katódsugarak elemeivel, az elektronokkal. Mivel a sugárzás csakis az uránatomokból eredhetett, megszületett az első bizonyíték arra, hogy az atomnak magának is belső szerkezete van és elektronokat tartalmaz.

Ő fedezte fel azt is, hogy az urán-X-nek nevezett aktív anyag egy idő után elveszíti sugárzóképességét, a frissen előállítva nem sugárzó urán viszont aktív lesz. (Rutherford és Soddy a tóriumnál tapasztalt hasonló jelenség nyomán jutott el a radioaktivitás transzformációs elméletéhez: atomon belüli változás nyomán egy elem egy másikká alakul át.)

Becquerel ismerte fel 1901-ben a radioaktív sugárzás élettani hatását, leírva hogy a zsebébe tett rádiumminta égési sebeket keltett a testén - ezek után került sor a sugárzás gyógyászati alkalmazására.

1903-ban kapta meg a harmadszor kiosztott fizikai Nobel-díjat megosztva Pierre és Marie Curie-vel "a spontán radioaktivitás felfedezéséért" (a díj fele illette őt, másik fele a Curie házaspárt). 1908-ban a Francia Tudományos Akadémia elnökévé választotta, röviddel ezután, 1908. augusztus 25-én halt meg Le Croisic-ban. A becquerel (Bq) a radioaktív sugárforrás aktivitásának mértékegysége az SI mértékrendszerben.