In 1882 deed hij een belangrijke studie op het gebied van luminescentie. In 1896 ontdekt hij de natuurlijke radioactiviteit bij uraan en in 1899 identificeerde hij b-straling als elektronen.
In 1903 ontving hij, samen met Marie en Pierre Curie, de Nobelprijs voor natuurkunde.
Hij onderzocht eveneens de draaiing van het polarisatievlak van licht o.i.v. een magnetisch veld en de absorptie van licht door kristallen.
De SI-eenheid voor straling is naar hem genoemd.