Antoine Henri Becquerel nasceu em Paris em 15 de dezembro de 1852, membro de uma ilustre família de estudiosos e cientistas. Seu pai, Alexander Edmond Becquerel, era Professor de Física Aplicada e tinha feito pesquisas sobre radiação solar e fosforescência, enquanto seu avô, Antoine César, tinha sido Fellow da Royal Society e inventor de um método eletrolítico para extração de metais de seus minérios. Ele entrou para o Politécnico em 1872, depois para o departamento governamental de Ponts-et-Chaussées, em 1874, tornando-se ingénieur em 1877 e sendo promovido a ingénieur-en-chef em 1894. Em 1888 ele adquiriu o grau de docteur-ès-sciences. A partir de 1878, ele havia realizado uma nomeação como assistente no Museu de História Natural, substituindo seu pai na Cadeira de Física Aplicada no Conservatoire des Arts et Metiers. Em 1892 foi nomeado Professor de Física Aplicada no Departamento de História Natural do Museu de Paris. Tornou-se Professor no Politécnico em 1895.
A primeira obra de Becquerel preocupou-se com a polarização plana da luz, com o fenómeno da fosforescência e com a absorção da luz pelos cristais (a sua tese de doutoramento). Ele também trabalhou sobre o tema do magnetismo terrestre. Em 1896, seu trabalho anterior foi ofuscado pela descoberta do fenômeno da radioatividade natural. Após uma discussão com Henri Poincaré sobre a radiação recentemente descoberta por Röntgen (raios X) e que foi acompanhada por um tipo de fosforescência no tubo de vácuo, Becquerel decidiu investigar se havia alguma ligação entre os raios X e a fosforescência natural. Ele havia herdado de seu pai um suprimento de sais de urânio, que fosforescem à exposição à luz. Quando os sais foram colocados perto de uma placa fotográfica coberta com papel opaco, foi descoberto que a placa estava embaciada. O fenómeno foi considerado comum a todos os sais de urânio estudados e concluiu-se que era uma propriedade do átomo de urânio. Mais tarde, Becquerel mostrou que os raios emitidos pelo urânio, que durante muito tempo receberam o nome do seu descobridor, causavam a ionização dos gases e que diferiam dos raios X por poderem ser desviados por campos eléctricos ou magnéticos. Por sua descoberta da radioatividade espontânea Becquerel recebeu metade do Prêmio Nobel de Física em 1903, sendo a outra metade dada a Pierre e Marie Curie por seu estudo da radiação de Becquerel.
Becquerel publicou as suas descobertas em muitos artigos, principalmente nos Annales de Physique et de Chimie e nos Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Foi eleito membro da Academie des Sciences de France em 1889 e sucedeu a Berthelot como Secretário de Vida daquele organismo. Foi também membro da Accademia dei Lincei e da Royal Academy of Berlin, entre outros. Foi nomeado Oficial da Legião de Honra em 1900.
Foi casado com Mlle. Janin, filha de um engenheiro civil. Eles tiveram um filho Jean, b. 1878, que também era físico: a quarta geração de cientistas da família Becquerel.
Antoine Henri Becquerel morreu em Le Croisic a 25 de Agosto de 1908.