Antoine Henri Becquerel wurde am 15. Dezember 1852 in Paris als Mitglied einer angesehenen Gelehrten- und Wissenschaftlerfamilie geboren. Sein Vater, Alexander Edmond Becquerel, war Professor für Angewandte Physik und hatte über Sonnenstrahlung und Phosphoreszenz geforscht. Sein Großvater, Antoine César, war Mitglied der Royal Society und Erfinder einer elektrolytischen Methode zur Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen. 1872 trat er in das Polytechnikum ein, 1874 in die Regierungsabteilung von Ponts-et-Chaussées, 1877 wurde er Ingenieur und 1894 zum Chefingenieur befördert. Im Jahr 1888 erwarb er den Titel eines docteur-ès-sciences. Seit 1878 war er Assistent am Naturhistorischen Museum und übernahm von seinem Vater den Lehrstuhl für angewandte Physik am Conservatoire des Arts et Metiers. Im Jahr 1892 wurde er zum Professor für angewandte Physik in der Abteilung für Naturgeschichte am Pariser Museum ernannt. 1895 wurde er Professor am Polytechnikum.
Becquerels erste Arbeiten befassten sich mit der Polarisation von Licht in der Ebene, mit dem Phänomen der Phosphoreszenz und mit der Absorption von Licht durch Kristalle (seine Doktorarbeit). Er beschäftigte sich auch mit dem Thema Erdmagnetismus. 1896 wurden seine früheren Arbeiten von der Entdeckung des Phänomens der natürlichen Radioaktivität überschattet. Nach einer Diskussion mit Henri Poincaré über die kurz zuvor von Röntgen entdeckte Strahlung (Röntgenstrahlen), die mit einer Art Phosphoreszenz in der Vakuumröhre einherging, beschloss Becquerel zu untersuchen, ob es einen Zusammenhang zwischen Röntgenstrahlen und natürlich vorkommender Phosphoreszenz gab. Er hatte von seinem Vater einen Vorrat an Uransalzen geerbt, die bei Lichteinwirkung phosphoreszieren. Als die Salze in der Nähe einer mit undurchsichtigem Papier bedeckten Fotoplatte platziert wurden, stellte man fest, dass die Platte beschlagen war. Dieses Phänomen trat bei allen untersuchten Uransalzen auf und wurde als eine Eigenschaft des Uranatoms erkannt. Später zeigte Becquerel, dass die vom Uran ausgesandten Strahlen, die lange Zeit nach ihrem Entdecker benannt wurden, Gase ionisieren und dass sie sich von Röntgenstrahlen dadurch unterscheiden, dass sie durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt werden können. Für seine Entdeckung der spontanen Radioaktivität erhielt Becquerel 1903 die Hälfte des Nobelpreises für Physik, die andere Hälfte ging an Pierre und Marie Curie für ihre Studie der Becquerel-Strahlung.
Becquerel veröffentlichte seine Erkenntnisse in zahlreichen Abhandlungen, vor allem in den Annales de Physique et de Chimie und den Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
1889 wurde er zum Mitglied der Academie des Sciences de France gewählt und trat die Nachfolge Berthelots als Sekretär auf Lebenszeit an. Er war unter anderem auch Mitglied der Accademia dei Lincei und der Königlichen Akademie von Berlin. Im Jahr 1900 wurde er zum Offizier der Ehrenlegion ernannt.
Er war verheiratet mit Mlle. Janin, der Tochter eines Bauingenieurs. Sie hatten einen Sohn Jean, geboren 1878, der ebenfalls Physiker war: die vierte Generation von Wissenschaftlern in der Familie Becquerel.
Antoine Henri Becquerel starb am 25. August 1908 in Le Croisic.