Han viet seg særlig til forskning på infeksjonsforsvar og immunpatologi. Brandtzæg forsket særlig på immunsystemets funksjon i slimhinnene og hvordan immunsystemet bekjemper sykdommer i luftveier og tarm, og hva svikt i systemet fører til av sykdom. I 1974 oppdaget han nye mekanismer for hvordan antistoffer kunne passere gjennom kroppsvev, og disse oppdagelsene har hatt stor medisinsk betydning i tiårene som fulgte.