在場的貝克勒爾給彭加勒提了一個問題。他説，射線是從陰極射線管的哪一個區域發出的。彭加勒説，X射線看來是從管子正對着陰極的區域發出的，就是玻璃管發出熒光的區域。貝克勒爾受到啟發，當即產生了這樣的猜測：X射線和熒光之間可能存在着某種聯繫，能夠發出熒光的物質可能同時也可發出X射線。
例會結束後，貝克勒爾就開始了實驗，他精心設計了一套研究方案：把照相底片用黑色的厚紙包嚴，使其不受陽光的作用，但可以受到X射線的作用，因為倫琴已經證明X射線可以穿過厚紙包層使照相底片感光。在照相底片包封附近放兩塊能發出熒光的材料，其中一塊用一枚銀幣與紙封隔離，然後把它們拿到陽光下暴曬，使材料發出熒光。如果發熒光的物體可以產生X射線，那麼底片上將留下明顯不同的感光痕跡。貝克勒爾家中收藏有大量可以發出熒光和磷光的物質材料，他把它們分別拿出暴曬，進行實驗。最初的實驗得到的結果是否定的，照相底片沒有感光，發熒光和磷光的物質並不同時發射X射線。後來，他重新選擇氧化鈾作為主攻對象，這次他發現照相底片感光了。1896年2月24日，他向法國科學院報告了這一發現，認為X射線與熒光有關。
儘管貝克勒爾已經找到了他所猜測的X射線與磷光物質之間的關係，但是他並沒有中止實驗。2月26日，當他進一步做實驗時，湊巧碰上了連綿的陰雨，他只好把實驗的東西原封不動地鎖進抽屜。5天后，天放晴了，貝克勒爾繼續中斷的試驗。一向嚴謹細心的他取出底片時，想預先檢查一下實驗品，沒想到意外情況發生了：在沒有陽光的情況下，底片不僅曝光而且上面又有很明顯的鈾鹽的像。這説明鈾本身在發光!第二天，又是科學院舉行例會的時間，貝克勒爾在科學院的學術報告上公佈了這一新發現。天然放射性的發現，標誌着原子核物理學的開始。
此後，貝克勒爾一直繼續他的研究工作，但是他只是着迷於鈾，更確切地説是侷限於鈾，由於他認為發出輻射是鈾的一種特殊性質，沒有認識到這種性質的普遍性，在對鈾做了全面的實驗研究後，貝克勒爾對這種新的射線的興趣逐漸減小了。儘管他的研究沒有能夠進一步深入下去，但是貝克勒爾所做的工作已經使人類的認識向微觀領域又深入了一個層次，已經開拓了新的研究領域。科學界為了表彰他的傑出貢獻，將放射性物質的射線定名為貝克勒爾射線。
