Se graduó en la Universidad de Erlangen en Ingeniería Electrónica (1980). Dos años más tarde lo hizo en Matemáticas (1982). Fue durante este tiempo, época en que se digitalizó la red telefónica en Alemania, cuando el profesor Seitzer, de la Universidad de Erlangen, tuvo la idea de transmitir por la línea telefónica RDSI de 64 kilobits por segundo algo más que la voz. Éste comenzó a investigar con un pequeño grupo del cuál Brandenburg se hizo formar parte para realizar su tesis de fin de carrera, la cual derivó en que para transmitir toda la información de un CD por la línea telefónica se necesitaba hacerlo a 1,5 megabits por segundo, pero sólo se podía transmitir 64 kilobits por segundo. Brandenburg pensó en que si se comprimía hasta doce veces la información, se podría transmitir por una sola línea telefónica. Lo primero que desarrolló fue un codec, un programa que podía comprimir y descomprimir audios, manteniendo en gran parte la calidad del sonido. Y de ahí, al gran salto del MP3.
De 1989 a 1990 trabajó con AT & T Laboratorios Bell en Murray Hill, Nueva Jersey, EE.UU. en ASPEC y MPEG-1 Layer 3. En 1990, regresó a la Universidad de Erlangen-Nuremberg y en 1993, se convirtió en jefe del Departamento de Audio\Multimedia del Instituto Fraunhofer de Circuitos Integrados en Erlangen, donde junto con su equipo, terminó de dar forma a sus investigaciones. Pero no fue hasta julio de 1995 cuando Brandenburg usó por primera vez la extensión .mp3 para los archivos relacionados con el MP3 que guardaba en su ordenador. Un año después su instituto ingresaba en concepto de patentes 1,2 millones de euros. Diez años más tarde esta cantidad ha alcanzado los 26,1 millones. Se convirtió en el estándar utilizado para streaming de audio y compresión de audio de alta calidad, popularizado gracias a Internet. Tras esto, Brandenburg dio el siguiente paso hacia el estéreo, el MP3 Surround, que se escucha por cinco canales diferentes, como en el cine; y el Ensonido, una simulación del 5.1 (cinco altavoces más subuffer) para auriculares estéreo.
Actualmente, ha desarrollado un nuevo sistema de audio denominado Iosono capaz de reproducir el sonido de manera extremadamente realista usando 300 altavoces, cada uno de los cuales es controlado individualmente. La señal de audio es calculada de manera individual para cada uno de los altavoces.