Broca er mest av alt berømt for sin forskning på hjernens senter for språkproduksjon. Dette er lokalisert i frontallappen og er nå kjent som Brocas område. Han kom frem til denne oppdagelsen ved å studere hjernen hos pasienter med afasi, personer som har mistet evnen til å snakke som følge av en hjerneskade. Grunnlaget for Brocas forskning ble dannet ved hjelp av hans første pasient ved Bicêtre-sykehuset, , en pasient som fikk kallenavnet "Tan" da ordet "tan" var det eneste denne pasienten kunne ytre.