Entre 1950 et 1953, Pierre Brunel effectue des études en biologie à l'Université de Montréal. Il poursuit ensuite ses études au Département de zoologie de l'Université de Toronto où il obtient une maîtrise en écologie marine en 1957. Il intègre ensuite l'Université de Yale aux États-Unis en résidence doctorale jusqu'en 1959 puis obtient un doctorat en écologie marine du Centre des sciences de la mer de l'Université McGill à Montréal en 1968.

De 1955 à 1966, il a travaillé comme biologiste à la station de biologie marine au Département des pêcheries du Québec à Grande-Rivière. Puis il obtient un poste de chargé d'enseignement au Département des sciences biologiques de l'Université de Montréal en 1966. En 1968, il est nommé professeur assistant puis professeur agrégé en 1970 avant de devenir professeur titulaire en 1979, jusqu'en 2000, date de sa retraite.

Entre 1982 et 1994, il a par ailleurs été responsable du Musée d'histoire naturelle Georges-Préfontaine, dépendant de l'Université de Montréal et de la Société de biologie de Montréal. Il a d'ailleurs siégé au conseil d'administration de cette dernière entre 1985 et 1994. Il est aussi membre fondateur du Réseau québécois pour la biodiversité créé en 1994 et de l'Institut québécois pour la biodiversité qui en a pris la suite en 2004.