О.І. Бродський – автор ряду монографій та підручників. Його основні наукові роботи стосуються хімічної термодинаміки, електрохімії розчинів та хімії ізотопів. У 1929 році Олександр Ілліч встановив кількісну залежність електродного потенціалу від діелетричної проникності розчину. Під його керівництвом вперше в СРСР групою дніпропетровських вчених була створена установка для одержання важкої води та добуто першу важку воду (1934), а також установки для отримання концентратів важкого кисню (1937) та важкого азоту (1949). Вперше він застосував стабільні ізотопи для дослідження механізмів хімічних реакцій, дослідив ізотопний обмін водню, кисню, сірки та азоту.
О.І. Бродський є автором підручника для вищої школи «Физическая химия» та низки монографій, серед яких «Химия изотопов» (1952) – перша в світовій науці монографія в цій галузі. Серед інших праць: «Исследования по термодинамике и электрохимии растворов» (1930), «Современная теория электролитов» (1934) тощо.
Завдяки його науковим працям започатковано широке застосування ізотопів у народному господарстві, науці, техніці. В подальшому досягнення з хімії ізотопів були використані школою академіка О.І. Бродського при вивченні фундаментальних праць хімічної науки – побудови теорії реакційної здатності, і, зокрема, вивчення механізмів хімічних реакцій.
Академік НАН України з 22 лютого 1939 року, за спеціальністю фізична хімія.
У 2007 р. Національною Академією наук України була заснована Премія НАН України імені О. І. Бродського, яка вручається Відділенням хімії НАН України за видатні наукові роботи в галузі теорії хімічної будови, кінетики та реакційної здатності.
Помер О.І. Бродський 21 серпня 1969 року.