Il suo esordio nel cinema è nel 2009 con "Polytechnique", un film in bianco e nero vincitore di 9 Genie Awards che racconta il massacro all'École Polytechnique di Montréal. In Europa ha recitato nel film francese "Café de Flore", a fianco di Vanessa Paradis. Il film fu presentato alla 68ª Mostra del cinema di Venezia, nella rassegna dedicata alle Giornate degli Autori, durante la quale Brochu fu celebrata come la madrina. Nel 2012 ha ottenuto il ruolo da protagonista in "Inch'Allah", dove interpreta un'ostetrica canadese che lavora all'interno di un campo profughi palestinese. Il suo film successivo, "Tom à la ferme", scritto e diretto da Xavier Dolan, è stato in competizione a Venezia 70, dove ha ottenuto il Premio FIPRESCI. Nel 2013 il Toronto International Film Festival l'ha premiata insieme ad altri tre attori con il titolo di Astro Nascente dell'anno. Nel 2015 anche "Les Lups", il film di Sophie Deraspe girato nelle Isole della Maddalena, ha vinto lo stesso premio al Torino Film Festival. Ha inoltre preso parte a vari cortometraggi fra i quali "L'appartamento", "Qualcuno di straordinario", "The Nest" e "Il mondo di Evelyne".