Son père, lui-même officier de santé et chirurgien à Pleurtuit, lui enseigne les premiers rudiments de son métier. Il suit aussi l'enseignement du collège des Cordeliers de Dinan, où il est le condisciple de Chateaubriand. À dix-sept ans, il s'engage dans un régiment républicain nouvellement créé, et participe en 1792, à la lutte contre l'insurrection vendéenne. Il doit toutefois démissionner pour raisons de santé au bout de deux ans et reprend ses études de médecine à l'issue desquelles il obtient un engagement de chirurgien dans la Marine nationale.
En 1799, il s'installe à Paris où il est l'élève de Xavier Bichat et de Philippe Pinel et où il obtient son diplôme de médecin en 1803. Il rejoint l'armée de Napoléon en 1805, et en qualité de médecin des armées, il participera aux campagnes de l'Empire en Allemagne, aux Pays-Bas et en Espagne.
De retour à Paris en 1814, il est d'abord médecin ordinaire, deuxième professeur, puis médecin en chef de l'hôpital militaire du Val-de-Grâce. C'est là qu'il élabore sa théorie originale des relations entre « vie » et « stimulus » et sur l'interdépendance (ou « sympathies ») des divers organes. Ces idées rencontrent un grand succès auprès des étudiants, mais la publication, en 1816 de son ouvrage critiquant la « doctrine médicale généralement adoptée », lui attire les foudres de la Faculté. Graduellement, cependant, ses idées finissent par s'imposer.
En 1830, il est nommé professeur de pathologie à la Faculté de médecine et inspecteur du service de santé ; il devient membre de l'Académie des sciences morales et politiques, lors de son rétablissement (1832).
Vers la fin de sa carrière, il adopte les opinions de Gall et enseigne la phrénologie.
Il meurt en 1838 d'un cancer du rectum dont il avait suivi l'évolution sur lui-même avec une précision scientifique.
François-Auguste Mignet a lu, en 1840, une Notice sur Broussais à l'Académie des sciences morales et politiques.