伦琴发现X射线，使物理学进入了一个新的研究领域，引起了科学界的极大震动。1896年初，法国科学家彭加勒（Henri Poincare，1854～1912年）收到伦琴寄给他的论文预印本和有关照片，将这些照片在1896年1月20日的法国科学院每周例会上进行了展览。法国科学院院士贝克勒尔也在其中，他对这个新发现产生了浓厚的兴趣。
他问彭加勒：“射线是从阴极射线管的哪一个区域发出的？”彭加勒说：“X射线看来是从管子正对着阴极的区域发出的，就是玻璃管发出荧光的区域。”贝克勒尔听后，似乎从中想到了什么，他想：X射线和荧光之间可能存在着某种联系，能够发出荧光的物质可能同时也可发出X射线。科学院例会之后，贝克勒尔立即动手进行实验来检验他的猜测，此后几周内进行的一系列实验导致了天然放射性的发现。
贝克勒尔对研究荧光现象非常熟悉，他的家族是一个物理学世家，而这个家族对磷光和荧光有特殊的兴趣，做过长期广泛的观察研究。亨利·贝克勒尔的祖父和父亲都是杰出的物理学家，法国科学院院士。他的祖父是法国最著名的高等学校——巴黎多科综艺学院的第一批毕业生，后来成为巴黎皇家自然博物馆的教授，以后当了馆长。祖父一生勤奋研究和著述，他写了529篇论文和6部教科书。他曾经研究过荧光和磷光现象，在他的书中有两本详细地论述了磷光。亨利的父亲跟随了亨利祖父的足迹，从多科综艺学院毕业，在博物馆成为父亲的助手，后来成为那里的教授，他主要研究光的化学作用，也是荧光方面的专家，他特别了解的物质是铀。他设计了一个荧光计，测量了在不同光的作用下荧光的强度和寿命。到伦琴发现X射线的时候，亨利自己已经继承了自然博物馆的教授职务，成为这个家族的第三代自然博物馆馆长，他同样对荧光和磷光现象进行了大量的研究，发表过多篇论文。后来，亨利又把这一职位传给了儿子。这四代贝克勒尔都是有成就的物理学家，在1828年到1908年的80年间总有一个，有时是两个贝克勒尔在法国科学院当院士。
正是因为贝克勒尔有这样的家庭，他在听完彭加勒的介绍后才能有那样敏锐的洞察力，立即提出了X射线与荧光的关系问题。彭加勒报告后的第二天，贝克勒尔就开始了实验，实验是这样设计的：把照相底片用黑色的厚纸包严，使其不受阳光的作用，但可以受到X射线的作用，因为伦琴已经证明X射线可以穿过厚纸包层使照相底片感光。在照相底片包封附近放两块能发出荧光的材料，其中一块用一枚银币与纸封隔离，然后把他们拿到阳光下暴晒，使材料发出荧光。如果发荧光的物体可以产生X射线，那么底片上将留下明显不同的感光痕迹。贝克勒尔家中收藏有大量可以发出荧光和磷光的物质材料，他把它们分别拿出暴晒，进行实验。贝克勒尔最初的实验得到的结果是否定的，照相底片没有感光，发荧光和磷光的物质并不同时发射X射线。这时，彭加勒在《大众科学杂志》上发表了一篇文章，文中提出：“是不是所有荧光足够强的物体都会同时发射光线和伦琴的X射线，而不管引发荧光的原因是什么？”这个看法促使贝克勒尔再次投入实验，弄清荧光与X射线之间是否有必然的联系。
贝克勒尔又开始实验了，他选择了一块硫酸铀盐，这次他发现照相底片感光了。1896年2月24日，他向法国科学院报告了这一发现，认为X射线与荧光有关。他在报告中说：“我用两张厚纸包住一张照相底片，包得如此之厚以致在太阳下暴晒一整天也不会有雾状出现。我在纸上放了一层磷光物质，把整个东西放在太阳下几小时。在我将底片显影时，我看见了磷光物质在底片上的黑色轮廓……我可以再试做这同样的实验，在磷光物质和纸之间放一块玻璃，这样可以排除当磷光物质被太阳光照热后可能会有蒸气，从而发生化学反应的可能性。因此我们可以从这些实验得出这样的结论：该磷光物质能发射出穿透不透光的纸的辐射……”贝克勒尔还用发射光和折射光反复进行实验，都得到同样的结果。
贝克勒尔似乎已经找到了他所猜测的X射线与磷光物质之间的关系，但是他继续做实验，并没有终止。2月26日当他进一步做实验时，恰遇上一连几个阴天，他无法将实验材料暴晒，不能进行实验，就把铀盐和密封的底片一起放进了抽屉。3月1日，太阳在天空中出现了，他准备继续这个实验。一向严谨细心的贝克勒尔取出底片，想预先检查一下，冲洗了其中的一张，他意外地发现底片已经曝光，上面又有很明显的铀盐的像。贝克勒尔来不及进行全面的研究，第二天，3月2日又是科学院举行例会的时间，贝克勒尔作了新的报告。他说明他前一次的报告有误，即使不在阳光下曝晒，铀盐自身也能够发出一种神秘的射线。这才是贝克勒尔的真正科学新发现。贝克勒尔在报告中说：“因为太阳几天都没露面，所以我在3月1日才把照相底片显影，本指望看到非常微弱的影像。但恰恰相反，一个极度深的黑色轮廓出现了。我立刻想到这一反应可能在黑暗中也能进行。”贝克勒尔的发现当时被称为“贝克勒尔射线”。
贝克勒尔不断进行研究，发现铀盐所发出的射线不仅能使照相底片感光，还能像X射线一样穿透一切物质，能使气体电离，引起验电器放电。他还发现，温度的变化、放电等对放射现象都没有影响，各种铀的化合物都具有这一性质，纯铀所产生的辐射比他所用的硫酸铀盐的辐射强3～4倍。于是，在1896年5月18日，贝克勒尔宣布：发射穿透射线的能力，是铀的一种特殊性质，而与采用哪一种铀化合物无关，它完全不受外界条件的影响，它的强度似乎也不随时间衰减。
贝克勒尔的科学发现虽然带有偶然性。但与他长期科学研究的积累是密不可分的，因为贝克勒尔家族已经有60多年研究荧光和磷光物质的历史，而贝克勒尔又擅长对铀盐进行研究。如果说他遇到了机遇，那么对于发现来说，更主要的是他有能够抓住这一机遇的本领。
贝克勒尔射线的发现曲折而又带有偶然性，所以当时有人称它是“命中注定”的发现，可是贝克勒尔的发现当时没有引起科学界足够的注意，科学家们还在继续谈论着X射线，世界著名大学和研究机构的实验室都有阴极射线装置，他们很容易就可以得到X射线，事实上，X射线早就在他们的实验室里产生了，只是伦琴第一个发现和显示了它的存在，科学家在重复伦琴的实验，研究新射线的性质和用途，而听任“贝克勒尔射线”的发现者独自进行他的研究，不予理会。
贝克勒尔沉迷于铀的研究，因为他认为发出辐射是铀的一种特殊性质，没有认识到这种性质的普遍性，在对铀作了全面的实验研究后，贝克勒尔对这种新的射线慢慢失去了兴趣。这从他的论文逐年减少可以看出来，他认为这个课题已经没有研究的必要了，发现者成为了落伍者。贝克勒尔并没有认识到他的发现的重要意义，严重影响了他的研究工作的深入发展，他并不知道放射性的来源。实际上，天然放射性是原子核的性质，贝克勒尔的工作已经使人类的认识向微观领域又深入了一个层次，从对原子的认识进入到了对原子核的研究，这是人类认识史上划时代的伟大发现。贝克勒尔已经开拓了新的研究领域，但是没有能够将已经开创的事业引向深入，没有能追随这一领域的科学发展。贝克勒尔当时没有意识到自己的身体日益憔悴是由于长期从事放射性研究所导致的。他的医生朋友也查不出病因是什么，建议他去疗养。贝克勒尔同意去疗养，但条件是把他的实验室搬到疗养院去。实验室是他的朋友，他的战场，他通向科学圣地的阶梯，他一生追求和心血倾注的地方，他怎么会舍得离开呢？他还有许多的课题要在这里研究，许多的心愿要在这里实现呢！但是病情一天天恶化，他实在支持不下去了，终于同意去疗养。1908年，在他获得诺贝尔奖五年后，被病魔夺去了生命。贝克勒尔为科学献出了他的生命，当时只有56岁。