Antoine Henri Becquerel blev født i Paris den 15. december 1852 som medlem af en fremtrædende familie af lærde og videnskabsmænd. Hans far, Alexander Edmond Becquerel, var professor i anvendt fysik og havde forsket i solstråling og fosforescens, mens hans bedstefar, Antoine César, havde været medlem af Royal Society og opfinder af en elektrolytisk metode til udvinding af metaller fra deres malme. Han blev indskrevet på Polytechnic i 1872 og derefter i det offentlige departement i Ponts-et-Chaussées i 1874. Han blev ingeniør i 1877 og blev forfremmet til ingeniør-kok i 1894. I 1888 erhvervede han graden docteur-ès-sciences. Fra 1878 havde han haft en ansættelse som assistent ved Naturhistorisk Museum, hvor han overtog sin fars plads på lærestolen for anvendt fysik ved Conservatoire des Arts et Metiers. I 1892 blev han udnævnt til professor i anvendt fysik i afdelingen for naturhistorie ved museet i Paris. Han blev professor ved Polytechnic i 1895.
Becquerels tidligste arbejde drejede sig om lysets plane polarisering, om fænomenet fosforescens og om krystallers absorption af lys (hans doktordisputats). Han arbejdede også på emnet jordmagnetisme. I 1896 blev hans tidligere arbejde overskygget af hans opdagelse af fænomenet naturlig radioaktivitet. Efter en diskussion med Henri Poincaré om den stråling, som Röntgen for nylig havde opdaget (røntgenstråler), og som var ledsaget af en form for fosforescens i vakuumrøret, besluttede Becquerel at undersøge, om der var nogen forbindelse mellem røntgenstråler og den naturligt forekommende fosforescens. Han havde fra sin far arvet et lager af uransalte, som fosforescerer ved eksponering for lys. Når saltene blev anbragt i nærheden af en fotografisk plade dækket af uigennemsigtigt papir, opdagede han, at pladen blev sløret. Fænomenet viste sig at være fælles for alle de undersøgte uransalte og blev konkluderet at være en egenskab ved uranatomet. Senere viste Becquerel, at de stråler, der udsendes af uran, og som længe blev opkaldt efter deres opdager, fik gasser til at ionisere, og at de adskilte sig fra røntgenstråler ved at kunne afbøjes af elektriske eller magnetiske felter. For sin opdagelse af den spontane radioaktivitet fik Becquerel halvdelen af Nobelprisen for fysik i 1903, mens den anden halvdel gik til Pierre og Marie Curie for deres undersøgelse af Becquerel-strålingen.
Becquerel offentliggjorde sine resultater i mange artikler, hovedsageligt i Annales de Physique et de Chimie og Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Han blev valgt til medlem af Academie des Sciences de France i 1889 og efterfulgte Berthelot som livsvarig sekretær for dette organ. Han var også medlem af bl.a. Accademia dei Lincei og af Det Kongelige Akademi i Berlin. Han blev udnævnt til officer af æreslegionen i 1900.
Han var gift med Mlle. Janin, datter af en civilingeniør. De fik en søn Jean, f. 1878, som også var fysiker: fjerde generation af videnskabsmænd i Becquerel-familien.
Antoine Henri Becquerel døde på Le Croisic den 25. august 1908.