Broca ble tidlig professor innen kirurgisk patologi ved Universitetet i Paris. Han utmerket seg hurtig som en merittert medisinsk forsker innenfor mange områder. I en alder av 24 år hadde han mottatt mange utmerkelser, medaljer og viktige posisjoner. Hans tidlige vitenskapelige arbeider omhandlet brusk- og ben-histologi, men han studerte også patologiske forandringer kreftsykdommer, behandlingen av aneurysmer, og barnedødelighet. En hans store interesseområder var studier av hjernens komparative anatomi. Han skrev omfattende om Darwinismen, kjent som transformisme i Frankrike.