Antoine Henri Becquerel syntyi Pariisissa 15. joulukuuta 1852 arvostettuun tiedemiesperheeseen. Hänen isänsä Alexander Edmond Becquerel oli soveltavan fysiikan professori ja oli tutkinut auringon säteilyä ja fosforesenssia, kun taas hänen isoisänsä Antoine César oli ollut Kuninkaallisen seuran jäsen ja keksinyt elektrolyyttisen menetelmän, jolla metallit voitiin irrottaa malmeistaan. Hän tuli Polyteknilliseen korkeakouluun vuonna 1872 ja sen jälkeen Ponts-et-Chaussées’n valtion laitokselle vuonna 1874. Hänestä tuli insinööri vuonna 1877 ja hänet ylennettiin ingénieur-en-chefiksi vuonna 1894. Vuonna 1888 hän suoritti tieteiden tohtorin tutkinnon. Vuodesta 1878 lähtien hän oli toiminut luonnontieteellisen museon assistenttina ja siirtyi isänsä jälkeen Conservatoire des Arts et Metiersin soveltavan fysiikan oppituoliin. Vuonna 1892 hänet nimitettiin Pariisin museon luonnontieteellisen osaston soveltavan fysiikan professoriksi. Hänestä tuli Polyteknillisen korkeakoulun professori vuonna 1895.
Becquerelin varhaisimmat työt koskivat valon tasopolarisaatiota, fosforisenssi-ilmiötä ja valon absorptiota kiteissä (hänen väitöskirjansa). Hän työskenteli myös maanpäällisen magnetismin parissa. Vuonna 1896 hänen aiempaa työtään varjosti luonnollisen radioaktiivisuuden ilmiön löytäminen. Keskusteltuaan Henri Poincarén kanssa Röntgenin hiljattain löytämästä säteilystä (röntgensäteistä), johon liittyi eräänlaista fosforisenssia tyhjiöputkessa, Becquerel päätti tutkia, oliko röntgensäteilyn ja luonnossa esiintyvän fosforisenssin välillä yhteyttä. Hän oli perinyt isältään uraanisuoloja, jotka fosforoivat valolle altistuessaan. Kun suolat asetettiin läpinäkymättömällä paperilla päällystetyn valokuvauslevyn lähelle, levy hämärtyi. Ilmiön todettiin olevan yhteinen kaikille tutkituille uraanisuoloille, ja sen todettiin olevan uraaniatomin ominaisuus. Myöhemmin Becquerel osoitti, että uraanin lähettämät säteet, jotka nimettiin pitkään löytäjänsä mukaan, aiheuttivat kaasujen ionisoitumista ja että ne erosivat röntgensäteistä siinä, että niitä voitiin poikkeuttaa sähkö- tai magneettikentillä. Spontaanin radioaktiivisuuden löytämisestä Becquerel sai puolet fysiikan Nobel-palkinnosta vuonna 1903, ja toisen puolen saivat Pierre ja Marie Curie Becquerelin säteilyn tutkimisesta.
Becquerel julkaisi löydöksensä monissa artikkeleissa, pääasiassa Annales de Physique et de Chimie -lehdessä ja Comptes Rendus de l’Academie des Sciences -lehdessä.
Hänet valittiin Ranskan tiedeakatemian (Academie des Sciences de France) jäseneksi vuonna 1889, ja hän seurasi Berthelot’ta sen elinikäisenä sihteerinä. Hän oli myös muun muassa Accademia dei Lincein ja Berliinin kuninkaallisen akatemian jäsen. Hänet nimitettiin Kunnialegioonan upseeriksi vuonna 1900.
Hän oli naimisissa rakennusinsinöörin tyttären Mlle Janinin kanssa. Heillä oli poika Jean, s. 1878, joka oli myös fyysikko: Becquerelin perheen neljäs tiedemiespolvi.
Antoine Henri Becquerel kuoli Le Croisicissa 25. elokuuta 1908.