Марк Изамбар Брюнель родился 25 апреля 1769 года в семье нормандского крестьянина в Акевилле близ Руана. Он с детства интересовался техникой и механикой. В 1786 году поступил в военно-морской флот, где прослужил 6 лет, в частности, в Западной Индии. В 1793 году будущий инженер и изобретатель вернулся во Францию, в Париж. В то время это было не очень безопасное место для сторонника монархии, поэтому Брюнель скоро уехал из революционной Франции в Америку. Здесь, в районе Великих Озер, он занялся архитектурной и строительной деятельностью. Строил здания и каналы. После переезда в Нью-Йорк он построил там арсенал, артиллерийский завод, строил форты и театр Бовери.
В 1799 году Брюнель вернулся на старый континент и поселился в Англии, в Плимуте, принял английское подданство и женился.
Вместе с Сэмюэлем Бентамом он усовершенствовал метод производства судовых блоков, которые в большом количестве требовались для мощного британского флота. Марк Брюнель сконструировал ряд станков, из которых каждый производил одну операцию из длинной серии.
В 1803 году эти станки, построенные по чертежам Брюнеля известным английским механиком Генри Модели (1771—1831), в Портсмуте были установлены на заводе.
Это был один из первых в истории техники примеров массового производства. Следует сказать, что метод разработанный Брюнелем применяется в промышленности до сегодняшнего дня.
Наступил период оживленной изобретательской деятельности Брюнела. Он сконструировал множество машин: копировально-чертежный станок, нитемотальный станок, чулочный (1816), кожевенно-прессовый, гвоздильный, паровую деревообрабатывающую пилу для судостроительного завода в Чатеме (1812) и другие. Пытался построить локомотив с газовым двигателем внутреннего сгорания. Изобретения не всегда приносили доход и Брюнелю приходилось переживать финансовые трудности. В 1821 году ему даже пришлось некоторое время просидеть в долговой тюрьме.
Занявшись изобретательством, Брюнель, однако, не оставил инженерной деятельности. В 1820 году он по заказам из-за рубежа проектировал мосты для Руана и Петербурга. В 1825—1843 годах он осуществил величайшее мероприятие своего времени — строительство туннеля под Темзой, длиной 396 м. Во время строительства Брюнель встретился с множеством препятствий технической натуры; несколько раз приходилось прекращать работы вследствие неожиданных аварий и несчастных случаев. Туннель под Темзой—это первое крупное сооружение, при котором применялся портландский цемент, только что изобретенный в 1824 году английским каменщиком Джозефом Эспдином. В конце концов, Брюнелю все же удалось закончить строительство туннеля, который в финансовом отношении не принес ему больших доходов, но стал свидетельством технического умения Брюнеля.
За свою деятельность Брюнель получил дворянское звание, а в 1814 году был избран членом Королевского научного общества, причем на протяжении 1832—1833 годов состоял вице-председателем этого общества.