Antoine Henri Becquerel werd op 15 december 1852 in Parijs geboren, als lid van een vooraanstaande familie van geleerden en wetenschappers. Zijn vader, Alexander Edmond Becquerel, was professor in de toegepaste natuurkunde en had onderzoek gedaan naar zonnestraling en fosforescentie, terwijl zijn grootvader, Antoine César, lid was van de Royal Society en de uitvinder van een elektrolytische methode om metalen uit hun ertsen te halen. Hij ging in 1872 naar de Polytechnische School en vervolgens in 1874 naar het regeringsdepartement van Ponts-et-Chaussées; in 1877 werd hij ingénieur en in 1894 werd hij bevorderd tot ingénieur-en-chef. In 1888 verwierf hij de graad van docteur-ès-sciences. Vanaf 1878 was hij als assistent verbonden aan het Museum voor Natuurlijke Historie en nam hij de leerstoel voor toegepaste natuurkunde van zijn vader over aan het Conservatoire des Arts et Metiers. In 1892 werd hij benoemd tot hoogleraar toegepaste natuurkunde in het departement natuurlijke historie van het Parijse museum. Hij werd hoogleraar aan de Polytechnische School in 1895.
Becquerels vroegste werk betrof de vlakke polarisatie van licht, het verschijnsel fosforescentie en de absorptie van licht door kristallen (zijn doctoraalscriptie). Hij werkte ook aan het onderwerp van het aardmagnetisme. In 1896 werd zijn eerdere werk overschaduwd door zijn ontdekking van het verschijnsel van natuurlijke radioactiviteit. Na een discussie met Henri Poincaré over de kort daarvoor door Röntgen ontdekte straling (röntgenstraling) die gepaard ging met een soort fosforescentie in de vacuümbuis, besloot Becquerel te onderzoeken of er een verband bestond tussen röntgenstraling en de natuurlijk voorkomende fosforescentie. Hij had van zijn vader een voorraad uraniumzouten geërfd, die fosforesceren bij blootstelling aan licht. Wanneer de zouten in de buurt van een met ondoorzichtig papier bedekte fotografische plaat werden gelegd, bleek dat de plaat besloeg. Het verschijnsel bleek bij alle bestudeerde uraniumzouten voor te komen en men concludeerde dat het een eigenschap van het uraniumatoom was. Later toonde Becquerel aan dat de door uranium uitgezonden stralen, die lange tijd naar hun ontdekker werden genoemd, gassen deden ioniseren en dat zij van röntgenstralen verschilden doordat zij door elektrische of magnetische velden konden worden afgebogen. Voor zijn ontdekking van de spontane radioactiviteit kreeg Becquerel in 1903 de helft van de Nobelprijs voor Natuurkunde; de andere helft werd toegekend aan Pierre en Marie Curie voor hun studie van de Becquerel-straling.
Becquerel publiceerde zijn bevindingen in vele artikelen, voornamelijk in de Annales de Physique et de Chimie en de Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Hij werd in 1889 verkozen tot lid van de Academie des Sciences de France en volgde Berthelot op als Life Secretary van dat orgaan. Hij was onder meer ook lid van de Accademia dei Lincei en van de Koninklijke Academie van Berlijn. In 1900 werd hij benoemd tot officier van het Legioen van Eer.
Hij was gehuwd met mevrouw Janin, dochter van een burgerlijk ingenieur. Zij kregen een zoon Jean, geb. 1878, die eveneens natuurkundige was: de vierde generatie wetenschappers in de familie Becquerel.
Antoine Henri Becquerel overleed te Le Croisic op 25 augustus 1908.