En 1896 descubrió una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radiactividad.
Este fenómeno se produjo durante su investigación sobre la fluorescencia.
Al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobó que dicha placa se ennegrecía.
Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria.
Estos rayos se denominaron en un principio rayos Becquerel en honor a su descubridor.
Gracias a sus valiosas investigaciones y descubrimientos, también hizo aportes al modelo atómico.
En 1900 halló que la radiación Beta está integrada por electrones y en 1901 que el radio se podía utilizar para destruir tumores, origen de la radioterapia.
En 1903 por su descubrimiento de la radioactividad natural, compartió con el matrimonio Curie el premio Nobel de la Física.
Además realizó investigaciones sobre la fosforescencia, espectroscopia y la absorción de la luz.