Jean-Baptiste Brunhes a commencé sa carrière en travaillant avec son père Emile Brunhes, un minéralogiste réputé. Il a été diplômé de l'École normale supérieure de la rue d'Ulm en 1890 et a obtenu son doctorat en 1895.
En 1894, il a participé à une expédition en Norvège pour mesurer les variations du champ magnétique terrestre et y a découvert la présence de minéraux radioactifs dans les roches. Ces résultats ont conduit à l'hypothèse qu'il est possible de déterminer l'âge des roches en utilisant les minéraux radioactifs.
En 1897, Brunhes a commencé à travailler avec le géologue français Henri-Louis Malte-Brun sur la détermination de la position géographique grâce aux mesures du champ magnétique terrestre. Ils ont réalisé plusieurs expéditions en Europe pour tester leur méthode, qui a finalement conduit à l'invention du principe de Brunhes-Malte-Brun (1904), une méthode de détermination des positions géographiques qui s'est avérée être très importante pour la navigation marine.
En 1898, il a été nommé professeur d'université à l'Université de Bordeaux et en 1904 il a été nommé directeur du laboratoire de géologie du Muséum national d'histoire naturelle de Paris.
En 1906, il a pris part à une expédition en Afrique pour étudier la géologie de l'Abyssinie (aujourd'hui l'Éthiopie). En 1908, il est devenu membre de l'Académie des sciences française.
En 1924, Jean-Baptiste Brunhes a dirigé une expédition scientifique en Antarctique avec le géologue Paul-Émile Victor pour étudier la géologie du continent et la géographie physique de l'Antarctique. Cette expédition a été très importante car il s'agissait de la première fois qu'une équipe scientifique française visitait l'Antarctique. Les résultats de cette expédition ont conduit à une meilleure compréhension de la géologie de l'Antarctique et de son importance pour la connaissance du système magnétique terrestre.
Jean-Baptiste Brunhes a été nommé chevalier de la Légion d'honneur en 1908 et promu officier en 1927 pour ses services rendus à la science française. Il est décédé en 1930, à l'âge de 61 ans.
Au cours de sa carrière, Jean-Baptiste Brunhes a publié plus de soixante articles scientifiques et a reçu plusieurs prix pour ses travaux. Il est considéré comme un des géologues les plus importants de la fin du XIXe siècle et du début du XXe siècle. Son travail sur le champ magnétique terrestre et sur la détermination des positions géographiques a été très important pour la navigation marine, les études géologiques et l'histoire de la géologie.