Etter en relativt begivenhetsløs freshmansesong fikk Brees sin første start som sophomore av Boilermakers' hovedtrener Joe Tiller, og kom til å spille en vesentlig rolle i Tiller og Jim Chaneys uortodokse "basketball on grass" pread offensive og tjente som offensive captain som junior og senior. Han hadde muligheten til å registrere seg for NFLs draft i 2000, men valgte heller å fullføre studiene sine. I 2000 ledet han Boilermakers til overraskende seiere over Ohio State og Michigan på vei til Boilermakers' første Big Ten Championship (delt med Michigan og Northwestern) siden 1967. Kampen mot Ohio State ble senere vist på ESPN Classic og er velkjent for Brees' fire interceptions og 64-yard touchdownpasning til Seth Morales med 1:55 igjen av kampen som sikret en viktig 31–27 seier, som fikk kommentatoren Brent Musburger til å rope "Holy Toledo!", og etter kampen ble banen stormet. Med seier over Michigan og Northwestern vant Purdue en invitasjon til Rose Bowl 2001, for første gang siden 1967, men Purdue tapte kampen med ti poeng mot Washington Huskies.