Estudià a l’École Polytechnique. El 1875 entrà al departament de ponts i carreteres, i arribà a enginyer en cap el 1894. El 1892 succeí el seu pare a la càtedra del Musée d’Histoire Naturelle, i el 1895 arribà a professor de l’École Polytechnique. Continuà els estudis del seu pare, i el descobriment dels raigs X per Röntgen (1896) li féu pensar que aquesta nova radiació podia ésser relacionada amb la fluorescència i la fosforescència. Efectuant experiències en aquests camps descobrí casualment que un compost d’urani velava les plaques fotogràfiques embolicades amb paper negre en ésser-hi col·locat damunt, i deduí que aquest fenomen era característic de l’àtom de l’element, descobrint així la radioactivitat natural. Posteriorment demostrà que, contra el supòsit inicial, la radiació que velava la placa no consistia pas en raigs X, sinó en tres tipus de radiació: a, β i γ. Aquestes investigacions li valgueren el premi Nobel de física el 1903, que compartí amb els Curie. Estudià també la polarització i l’absorció de la llum en els cristalls.