Оба брата в 1809 г. были приняты в Академию Художеств, на казенный счет, а в 1822 г. на счет общества поощрения художеств были отправлены на 6 лет за границу. Зиму братья провели в Мюнхене, а в мае 1823 г. прибыли в Рим.
С особенною любовью Брюллов изучал развалины древних городов, для чего в 1824 г. вместе с А.Р. Львовым посетил Сицилию, осенью того же года Помпеи, где усердно занялся реставрациею помпейских бань. К 1826 г. им были уже выполнены помпейские термы, в гравюрах Сандса изданные затем в Париже (текст к ним был напечатан на французском языке только в 1829 г.).
1827 г. Брюллов провел в Париже, где слушал курс механики в Сорбонне и посещал лекции Бюона по истории архитектуры. Отсюда Брюллов ездил в Англию, Шартр и другие места, в 1829 г. возвратился в Санкт-Петербург. "Помпеянские термы" доставили Брюллову звание архитектора Его Величества, члена-корреспондента французского института, члена королевского института архитекторов в Англии и звание члена академий художеств в Милане и Петербурге.
Весьма плодотворная архитектурная деятельность Брюллова выразилась в постройке в Санкт-Петербурге и других местах целого ряда капитальных зданий, между прочим, в сооружении на Пулковской горе обсерватории, которая строилась им одновременно со зданием Главного штаба. Талант Брюллова выказался в возобновлении жилого помещения Зимнего дворца после пожара 1831 г. и в постройке здесь экзерцир-гауза. Вскоре Брюллову была поручена перестройка Мраморного дворца ко дню свадьбы великого князя Константина Николаевича , одновременно шла работа по возведению здания Александровской больницы, с проложением Надеждинской улицы, до Невского проспекта. Кроме того, Брюллов построил Михайловский театр в Санкт-Петербурге (в 1831 г.), готическую церковь для графини Палье в Парголове, дом графини Самойловой в Славянке.
В 1832 г. Брюллов составил проект лютеранской церкви святого Петра на Невском проспекте, в стиле английской готики, и в этом же году был удостоен звания профессора архитектуры за проект церкви в столице в классическом стиле. Брюллов был также отличным рисовальщиком акварелью. Еще живя в Неаполе, откуда он и ездил в Помпеи, Брюллов написал портреты Неполитанского королевского семейства, а для императрицы Марии Феодоровны - рисунок амфитеатра Флавия. В Париже им был исполнен (в 1837 г.) на вечере у княгини Голицыной наиболее схожий портрет Вальтера Скотта (с пледом на шее), который художник сам перевел на камень. В 1830 г. в Санкт-Петербурге Брюллов выставил акварельный портрет князя Лопухина, в 1831 г. написал акварелью портрет императора Николая Павловича , окруженного кадетами разных корпусов.