I 1896 oppdaget han ved en tilfeldighet radioaktivitet mens han studerte uranmineraler. Den 27. mai 1889 ble han medlem av Det franske vitenskapsakademiet. I 1900 mottok han Rumfordmedaljen for oppdagelsen av urans radioaktivitet og ble gjort offiser av Æreslegionen. I 1903 mottok han Nobelprisen i fysikk sammen med Marie og Pierre Curie. Han ble også gitt medlemskap i Accademia Nazionale dei Lincei og Det prøyssiske vitenskapsakademiet.