폴 브로카는 암 병리학, 동맥류(혈관의 이상 증대) 치료 등 의학의 발전에 기여하였다. 특히 실어증에 관한 그의 연구는 신경학, 심리학, 정신 병리학 등 다방면의 학문에 큰 영향을 준 업적으로 평가받고 있다. 그는 대뇌피질 좌측 전두엽 셋째 회절부에서 인간의 언어 구사 능력을 담당하는 부위를 발견하였으며, 자신의 이름을 따 이 부분의 이름을 '브로카 영역'으로 명명하였다. 그의 발견은 실어증의 원인을 규명하는데 결정적인 기여를 하였다.
그러나 그는 골상학 연구에도 깊이 관여하면서 흑역사를 자초했는데, 인종간 그리고 성별간 두개골 용적을 측정 및 비교하면서 실험 조작을 자행하여 당시 백인 사회의 인종차별적이고 남녀차별적인 편견 조장에 정당성을 부여하였다. 그의 이러한 실책은 1978년에 와서야 스테판 구드(Stephen Goude)에 의하여 밝혀졌다. 그의 골상학 또는 관상학 관련 연구는 그가 인종차별주의자에 남녀차별주의자였음을 입증하고 있는데, 이는 전적으로 그의 책임이라기 보다는 그가 살고 있던 당시 사회의 한계에서 비롯된 것으로 보이며, 폴 브로카는 행실이 모범적이었던 학자였지만 당대의 윤리적 테두리는 벗어나지 못했던 것으로 보인다. 실제로 그는 선량한 프랑스 시민들을 범죄로부터 보호하기 위해 강력 범죄자들의 두개골을 조사하기도 했다. 이 연구에서 그는 '흉악 범죄자들의 두개골은 평범한 사람의 것과 다르다'라는 결론을 내린 뒤 두개골의 모양을 통해 잠재적 범죄자들을 색출해낼수 있다고 주장하였다. 또한, 모든 골상학자가 그랬듯이 폴 브로카도 뇌의 크기와 사람의 사회적 지위를 연관지었는데 그가 죽은 뒤 그의 뇌를 다른 평범한 사람들과 비교해 본 결과 몇 그램 차이가 나지 않아 본의아닌