Llicenciat en física química per la Rice University (1965), es doctorà en la mateixa especialitat a la Columbia University (1969). Després de treballar al United States Naval Research Laboratory, el 1973 s’incorporà als Bell Laboratories, on desenvolupà les recerques que el convertiren en una figura destacada de la nanoquímica. El 1996, fou nomenat professor de química a la Columbia University i hi desenvolupà la resta de la seva carrera. Un cop jubilat seguí vinculat a la Universitat com a investigador i professor emèrit.
A començament de la dècada de 1980 i, a partir de les observacions realitzades per Aleksei I. Ekímov en nanocristalls incorporats en vidre, investigà nanocristalls semiconductors en dissolució. El 1983 demostrà que les propietats òptiques i electròniques d’aquests materials variaven segons la mida de les partícules. Aquests nanocristalls semiconductors, que passaren a ésser coneguts amb el nom de punts quàntics, constituïren la base d’un nou camp de recerca en nanotecnologia.
Les seves aportacions foren aprofitades per Moungi G. Bawendi, que desenvolupà mètodes de síntesi controlada i d’alta qualitat per a aquests materials. Els treballs successius d’Ekímov, Brus i Bawendi establiren les bases d’una de les branques més importants de la nanotecnologia moderna. Els punts quàntics són emprats actualment en pantalles basades en tecnologia QLED, en sistemes d’il·luminació LED, en tècniques d’imatge biomèdica i en altres aplicacions avançades.
El 2023 rebé el premi Nobel de química, compartit amb Ekímov i Bawendi, pel descobriment i la síntesi dels punts quàntics.