Nacido en Melle, Deux-Sèvres, Francia, su padre fue un pintor que se trasladó a París cuando Marcel era un niño. Allí asistió al Lycée Condorcet. La familia Brillouin regresó a Melle durante la Guerra Franco-prusiana de 1870. Allí aprendió mucho de los libros de filosofía de su abuelo. Tras la guerra, regresó a París e ingresó a la École Normale Supérieure en 1874 para graduarse en 1878. Se convirtió en físico adjunto en el Collège de France, mientras que al mismo tiempo trabajaba para su doctorado en matemática y física, el cual obtuvo en 1881. Luego Brillouin mantuvo puestos sucesivos como profesor adjunto de física en las universidades de Nancy, Dijon y Toulouse antes de regresar a la École Normale Supérieure de París en 1888. Luego, fue profesor de Física Matemática en el Collège de France de 1900 a 1931.

Durante su carrera fue autor de cerca de 200 papeles teóricos y experimentales en una gran escala de temas que incluyen teoría cinética de los gases, viscosidad, termodinámica, electricidad y la física de condiciones fundidas. Como trabajos más destacados podemos nombrar:

• construir un nuevo modelo del balance de Eötvös,
• escribir sobre el movimiento Helmholtz y la estabilidad de un avión,
• trabajar en la estructura atómica del modelo atómico de Niels Bohr. Sus resultados fueron más tarde usados por de Broglie y Erwin Schrödinger,
• trabajar en una teoría de la marea.

Su hijo Léon Brillouin, también tuvo una carrera prominente en la física.

• Mosseri, R. "Léon Brillouin, A la croisée des ondes." París: Aot, 1999.
• Vilat, H. Jubile' de M. Brillouin pour son 80ème anniversaire. París, 1935.

• O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., «Marcel Brillouin» (en inglés), MacTutor History of Mathematics archive, Universidad de Saint Andrews, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Brillouin/ .