Brongniart a été l'élève du célèbre minéralogiste René Just Haüy et a travaillé en étroite collaboration avec Georges Cuvier, le père de la paléontologie. En 1801, il fut nommé professeur de minéralogie à l'École centrale des arts et manufactures de Paris.
En 1802, Brongniart est devenu membre de la Société Philomathique de Paris et, en 1803, membre correspondant de l'Académie des Sciences. Deux ans plus tard, il fut nommé professeur de minéralogie à l'École polytechnique et, en 1817, professeur titulaire de géologie à la Faculté des sciences de Paris.
Les principaux travaux de Brongniart portent sur la stratigraphie de la région parisienne. Il a identifié les séries stratigraphiques correspondant aux différents terrains du bassin parisien et a donné le nom à plusieurs espèces fossiles, dont la cératite et l'argile blanche d'Argenteuil.
Alexandre Brongniart est également connu pour son travail sur les minéraux. Il a identifié de nombreuses nouvelles espèces minérales et a fourni une description précise des propriétés physiques et chimiques des minéraux connus. Il a également développé un système de classification des minéraux, qui est devenu le précurseur de la classification moderne.
Brongniart a également travaillé sur les applications pratiques de la géologie. En particulier, il s'est intéressé à l'exploitation des carrières et aux problèmes d'ingénierie liés au sol.
En 1835, Brongniart a reçu le prix Cuvier de la Société royale des sciences de Liège pour ses travaux sur la géologie de la Belgique. En 1840, il a été élu membre étranger de l'Académie royale suédoise des sciences.
En 2016, une plaque commémorative a été posée dans le parc du Muséum national d'histoire naturelle de Paris pour honorer la mémoire d'Alexandre Brongniart et souligner son importance historique dans le développement de la géologie française.