Antoine Henri Becquerel nació en París el 15 de diciembre de 1852, miembro de una distinguida familia de eruditos y científicos. Su padre, Alexander Edmond Becquerel, era profesor de física aplicada y había realizado investigaciones sobre la radiación solar y la fosforescencia, mientras que su abuelo, Antoine César, había sido miembro de la Royal Society y el inventor de un método electrolítico para extraer metales de sus minerales. Ingresó en el Politécnico en 1872, luego en el departamento gubernamental de Ponts-et-Chaussées en 1874, convirtiéndose en ingénieur en 1877 y siendo promovido a ingénieur-en-chef en 1894. En 1888 obtuvo el título de docteur-ès-sciences. Desde 1878 ocupaba un puesto de ayudante en el Museo de Historia Natural, sustituyendo a su padre en la Cátedra de Física Aplicada del Conservatorio de Artes y Oficios. En 1892 fue nombrado profesor de física aplicada en el Departamento de Historia Natural del Museo de París. Los primeros trabajos de Becquerel se centraron en la polarización plana de la luz, en el fenómeno de la fosforescencia y en la absorción de la luz por los cristales (su tesis doctoral). También trabajó en el tema del magnetismo terrestre. En 1896, sus trabajos anteriores se vieron eclipsados por el descubrimiento del fenómeno de la radiactividad natural. Tras una discusión con Henri Poincaré sobre la radiación recientemente descubierta por Röntgen (los rayos X) y que iba acompañada de un tipo de fosforescencia en el tubo de vacío, Becquerel decidió investigar si existía alguna relación entre los rayos X y la fosforescencia natural. Había heredado de su padre un suministro de sales de uranio, que fosforecen al exponerse a la luz. Al colocar las sales cerca de una placa fotográfica cubierta con papel opaco, se descubrió que la placa se empañaba. Se comprobó que el fenómeno era común a todas las sales de uranio estudiadas y se concluyó que era una propiedad del átomo de uranio. Posteriormente, Becquerel demostró que los rayos emitidos por el uranio, que durante mucho tiempo recibieron el nombre de su descubridor, provocaban la ionización de los gases y que se diferenciaban de los rayos X en que podían ser desviados por campos eléctricos o magnéticos. Por su descubrimiento de la radiactividad espontánea, Becquerel recibió la mitad del Premio Nobel de Física en 1903, mientras que la otra mitad se concedió a Pierre y Marie Curie por su estudio de la radiación Becquerel.
Becquerel publicó sus descubrimientos en muchos artículos, principalmente en los Annales de Physique et de Chimie y en los Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Fue elegido miembro de la Academie des Sciences de France en 1889 y sucedió a Berthelot como secretario vitalicio de ese organismo. También fue miembro de la Accademia dei Lincei y de la Real Academia de Berlín, entre otras. Fue nombrado Oficial de la Legión de Honor en 1900.
Estaba casado con la señorita Janin, hija de un ingeniero civil. Tuvieron un hijo, Jean, nacido en 1878, que también fue físico: la cuarta generación de científicos de la familia Becquerel.
Antoine Henri Becquerel murió en Le Croisic el 25 de agosto de 1908.