És autor de treballs bàsics sobre l’anatomia i la fisiologia del cervell, entre els quals cal esmentar la descoberta (1861) del centre verbal-motor cerebral (àrea de Broca, al peu de la tercera circumvolució frontal esquerra) i una forma d’afàsia per lesió d’aquesta regió (afàsia de Broca). Professor de patologia quirúrgica a París, fou un dels fundadors i el primer secretari de la Société d’Anthropologie (1859), desenvolupà les tècniques antropomètriques i fundà la “Revue d’Anthropologie” (1872) i l’École d’Anthropologie de París (1876). Defensà el poligenisme de l’espècie humana i, arran de la desfeta francesa del 1870, la tesi racista de la superioritat de la raça gal·la. Enuncià la fórmula de Broca, segons la qual un adult ha de pesar idealment tants quilos com centímetres depassa el metre d’estatura.