Родился 25 апреля 1769 года в Аквиле во французском департаменте Эр, получил первоначальное образование в Жизорской коллегии (фр. Gisors), а после в Семинарии в Никезе; не имея никакой склонности к духовному званию, он поступил в 1786 году на службу во французский флот, так как отец не позволял ему быть инженером.
Революция заставила его переселиться в 1793 году в Нью-Йорк, где он занялся изучением механики и родственных с ней наук; построил театр и предпринял постройку пушечного литейного завода и портовых укреплений; в 1799 году он отправился в Англию, где и остался. В 1806 году Брюнель получил награду в 20000 фунтов стерлингов за изобретение механизма блоков для употребления во флоте; затем он построил для адмиралтейства пильную мельницу в Чатеме.
Венцом его славы были изобретение проходческого щита и постройка с его помощью тоннеля под Темзой, замечательного произведения инженерного искусства.
Однажды Брюнель наблюдал за тем, как корабельный червь прокладывает дорогу в твердой дубовой щепке. Брюнель заметил, что только лишь голова маленького моллюска покрыта жесткой раковиной. С помощью ее зазубренных краев червь буравил дерево. Углубляясь, он оставлял на стенках хода гладкий защитный слой извести. Взяв этот принцип за основу, Брюнель запатентовал большой чугунный проходческий щит, который проталкивают под землей домкратами. Рабочие смогли убирать из щита землю, а тот мог предохранять от обвала породы. Щит углубляется в породу, а другие рабочие укрепляют образовавшийся тоннель кирпичной кладкой.
Проект тоннеля под Темзой Брюнель приготовил ещё в 1819 году. Работы же начались только с 1825 г. и после огромных затруднений были окончены в 1842 году. Этот тоннель стал первым подводным тоннелем, проложенным в мягком грунте.
Брюнель был вице-президентом Королевского лондонского общества наук — редкая честь для иностранца. Умер 12 декабря 1849 года.
Сын — выдающийся инженер Изамбард Кингдом Брюнель.
