Paul Broca oli innovatiivinen kirurgi. Hän yhdisti antropologiaa lääketieteelliseen tutkimukseen ja käytäntöön, erityisesti neurologiaan. Koko 1850-luvun hän tutki afasiaa, olosuhteita, joissa kieli vaikuttaa. Vuonna 1861 hänestä tuli ensimmäinen, joka osoitti ruumiinavauksessa, että puhevika liittyi tiettyyn kohtaan aivoissa (tunnetaan nykyään Brocan alueena). Brocan löydön myötä kiinnostus fyysisten aivojen sekä psykologisten ja älyllisten ominaisuuksien välistä suhdetta kohtaan heräsi uudelleen.
Broca perusti vuonna 1859 Pariisin antropologisen seuran, joka yhdisti vertailevan anatomian antropologiaan. Hän keksi uusia välineitä fyysisten erojen mittaamiseen, sillä hän ja hänen ystävänsä Alphonse Bertillon olivat vakuuttuneita siitä, että kvantitatiiviset mittaukset paljastivat yksilön luonteen ja kyvyn. Siinä missä Bertillon tunnisti yksittäisiä rikollisia, Broca vertaili eri väestöryhmien eli ”rotujen” keskimääräistä anatomiaa. Broca ja muut antropometristä mittausta harjoittavat tutkijat uskoivat kallon muodon ja koon osoittavan, että eurooppalaiset olivat ylivertaisia.
hänen johtopäätöksensä fyysisen erilaisuuden ja kykyjen välisestä suhteesta auttoivat edistämään rasistisia ja seksistisiä teorioita, ja ne on sittemmin tuomittu ja kumottu.
