I 1889 overtok han en stilling som konservator ved Bergen Museum etter Fridtjof Nansen, og i 1901 ble han direktør for museet. Under hans ledelse ble virksomheten dreiet i en mer folkeopplysende retning, og hovedmålet for museet ble å fremme vitenskapelig forskning og spre vitenskapelig kunnskap. Brunchorst var også pådriver for at Bergen fikk Norges første biologiske stasjon i 1892 i konkurranse med Universitetet i Oslo.