Antoine Henri Becquerel föddes i Paris den 15 december 1852 som medlem av en framstående familj av forskare och vetenskapsmän. Hans far, Alexander Edmond Becquerel, var professor i tillämpad fysik och hade forskat om solstrålning och fosforescens, medan hans farfar, Antoine César, hade varit ledamot av Royal Society och uppfinnare av en elektrolytisk metod för att utvinna metaller ur deras malm. Han började vid Polytechnic 1872 och sedan vid regeringsdepartementet i Ponts-et-Chaussées 1874. Han blev ingenjör 1877 och befordrades till ingenjör-kock 1894. År 1888 erhöll han titeln docteur-ès-sciences. Från och med 1878 hade han haft en anställning som assistent vid Naturhistoriska museet och tog över efter sin far på professuren för tillämpad fysik vid Conservatoire des Arts et Metiers. År 1892 utnämndes han till professor i tillämpad fysik vid avdelningen för naturhistoria vid museet i Paris. Han blev professor vid Polytechnic 1895.
Becquerels tidigaste arbete handlade om ljusets plana polarisering, om fenomenet fosforescens och om kristallers absorption av ljus (hans doktorsavhandling). Han arbetade också med ämnet jordisk magnetism. År 1896 överskuggades hans tidigare arbete av hans upptäckt av fenomenet naturlig radioaktivitet. Efter en diskussion med Henri Poincaré om den strålning som nyligen hade upptäckts av Röntgen (röntgenstrålar) och som åtföljdes av en typ av fosforescens i vakuumröret, beslöt Becquerel att undersöka om det fanns något samband mellan röntgenstrålar och naturligt förekommande fosforescens. Han hade från sin far ärvt ett förråd av uransalter som fosforescerar när de utsätts för ljus. När salterna placerades i närheten av en fotografisk platta täckt med ogenomskinligt papper upptäcktes det att plattan var dimmig. Fenomenet visade sig vara gemensamt för alla undersökta uransalter och man drog slutsatsen att det var en egenskap hos uranatomen. Senare visade Becquerel att de strålar som sänds ut av uran, och som länge namngavs efter sin upptäckare, får gaser att jonisera och att de skiljer sig från röntgenstrålar genom att de kan avledas av elektriska eller magnetiska fält. För sin upptäckt av spontan radioaktivitet tilldelades Becquerel 1903 hälften av Nobelpriset i fysik, medan den andra hälften gick till Pierre och Marie Curie för deras studier av Becquerelstrålningen.
Becquerel publicerade sina upptäckter i många artiklar, främst i Annales de Physique et de Chimie och Comptes Rendus de l’Academie des Sciences.
Han valdes till ledamot av Academie des Sciences de France 1889 och efterträdde Berthelot som livstidssekreterare i detta organ. Han var också medlem av bland annat Accademia dei Lincei och Kungliga Akademien i Berlin. Han utnämndes till officer i hederslegionen 1900.
Han var gift med Mlle Janin, dotter till en civilingenjör. De fick en son Jean, född 1878, som också var fysiker: den fjärde generationen vetenskapsmän i familjen Becquerel.
Antoine Henri Becquerel dog i Le Croisic den 25 augusti 1908.