En su primera actividad en el ámbito de la experimentación científica investigó fenómenos relacionados con la rotación de la luz polarizada, causada por campos magnéticos. Posteriormente se dedicó a examinar el espectro resultante de la estimulación de cristales fosforescentes con luz infrarroja. Tras el descubrimiento (a finales del 1895) de los rayos X por Wilhelm Rontgen, observó que estos, al impactar con un haz de rayos catódicos en un tubo de vidrio en el que se ha hecho el vacío, se tornaban fluorescentes.
A raíz de esta observación se propuso averiguar si existía una relación fundamental entre los rayos X y la radiación visible, de tal modo que todos los materiales susceptibles de emitir luz, estimulados por cualquier medio, emitan, así mismo, rayos X. Para comprobar esta hipótesis colocó cristales sobre una placa fotográfica envuelta en papel opaco, de tal forma que solo la radiación invisible correspondiente a los rayos X pudiera revelar la emulsión contenida en la placa; previamente excitó los cristales mediante exposición a la luz solar. Al cabo de unas horas comprobó que la placa revelaba la silueta perfilada por los cristales.
En un experimento posterior intercaló una moneda entre los cristales y la envoltura opaca, y tras unas horas de exposición verificó que la imagen de la moneda se perfilaba en la placa. En 1896 informó del resultado de estos experimentos a la Academia de Ciencias Francesa, advirtiendo en su informe la particular actividad mostrada por los cristales constituidos por sales de uranio. Poco después comprobó que las sales de uranio eran activas sin necesidad de ser expuestas a una fuente energética.
Marie Curie bautizó este fenómeno con el nombre de radiactividad, tras el descubrimiento por parte del matrimonio Curie de nuevos elementos como el torio, el polonio y el radio, materiales que muestran un comportamiento análogo al del uranio. En 1903 Becquerel compartió el premio Nobel de Física con el matrimonio Curie. Falleció en Croisic.
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