Antoine Henri Becquerel nacque a Parigi il 15 dicembre 1852, membro di una distinta famiglia di studiosi e scienziati. Suo padre, Alexander Edmond Becquerel, era un professore di fisica applicata e aveva fatto ricerche sulla radiazione solare e sulla fosforescenza, mentre suo nonno, Antoine César, era stato un membro della Royal Society e l’inventore di un metodo elettrolitico per estrarre i metalli dai loro minerali. Entrò al Politecnico nel 1872, poi al dipartimento governativo di Ponts-et-Chaussées nel 1874, diventando ingénieur nel 1877 e venendo promosso a ingénieur-en-chef nel 1894. Nel 1888 acquisì il grado di docteur-ès-sciences. Dal 1878 aveva avuto un incarico come assistente al Museo di Storia Naturale, subentrando a suo padre nella cattedra di Fisica Applicata al Conservatorio delle Arti e dei Metalli. Nel 1892 fu nominato professore di fisica applicata nel dipartimento di storia naturale del Museo di Parigi. Divenne professore al Politecnico nel 1895.
I primi lavori di Becquerel riguardavano la polarizzazione piana della luce, il fenomeno della fosforescenza e l’assorbimento della luce da parte dei cristalli (la sua tesi di dottorato). Lavorò anche sul tema del magnetismo terrestre. Nel 1896, il suo lavoro precedente fu messo in ombra dalla sua scoperta del fenomeno della radioattività naturale. A seguito di una discussione con Henri Poincaré sulla radiazione che era stata recentemente scoperta da Röntgen (raggi X) e che era accompagnata da un tipo di fosforescenza nel tubo a vuoto, Becquerel decise di indagare se ci fosse qualche connessione tra i raggi X e la fosforescenza naturale. Aveva ereditato da suo padre una scorta di sali di uranio, che fosforescono per esposizione alla luce. Quando i sali furono posti vicino ad una lastra fotografica coperta da carta opaca, si scoprì che la lastra era appannata. Il fenomeno risultò essere comune a tutti i sali di uranio studiati e si concluse che era una proprietà dell’atomo di uranio. Più tardi, Becquerel dimostrò che i raggi emessi dall’uranio, che per molto tempo presero il nome del loro scopritore, causavano la ionizzazione dei gas e che si differenziavano dai raggi X per il fatto che potevano essere deviati da campi elettrici o magnetici. Per la sua scoperta della radioattività spontanea Becquerel ricevette metà del premio Nobel per la fisica nel 1903, l’altra metà fu data a Pierre e Marie Curie per il loro studio della radiazione Becquerel.
Becquerel pubblicò le sue scoperte in molti articoli, principalmente negli Annales de Physique et de Chimie e nei Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Fu eletto membro dell’Academie des Sciences de France nel 1889 e succedette a Berthelot come segretario a vita di quel corpo. Fu anche membro dell’Accademia dei Lincei e dell’Accademia Reale di Berlino, tra gli altri. Fu nominato Ufficiale della Legione d’Onore nel 1900.
Era sposato con la signorina Janin, figlia di un ingegnere civile. Ebbero un figlio Jean, nato nel 1878, anche lui fisico: la quarta generazione di scienziati nella famiglia Becquerel.
Antoine Henri Becquerel morì a Le Croisic il 25 agosto 1908.