Né de parentsfrançais àSaint-Pétersbourg (son père était le peintrePavel Brioullo),Carle Brulleau (orthographe de son nom jusqu'en1822) se sent attiré par l'Italie dès son enfance. Malgré sa formation à l'Académie impériale des Beaux-Arts (1809-1821), Brioullov n'a jamais vraiment adopté le style classique enseigné par ses professeurs et promu par son frèreAlexandre Brioullov. Après s'être distingué comme un étudiant prometteur et imaginatif, notamment auprès du peintreAndreï Ivanov, il quitte la Russie pour se rendre àRome où il travaille jusqu'en 1835 comme portraitiste et peintre de genre. Il obtient une certaine renommée lorsqu'il se met à la peinture historique.
Son tableau le plus connu,Le Dernier Jour de Pompéi (1830-1833), est une vaste composition, comparé parPouchkine etGogol aux meilleures œuvres deRubens etVan Dyck. Il a créé la sensation en Italie et contribué à la réputation grandissante de Brioullov. Après avoir fini ce tableau, il fait un retour triomphal dans la capitale russe, où il devient l'ami de nombreux membres de l'aristocratie de l'élite intellectuelle. Il obtient un poste à l'Académie impériale des beaux-arts.
En enseignant à l'académie, (1836-1848) il développe un style de portrait qui combine la simplicité néoclassique avec une tendance romantique. Sa santé se détériore brutalement alors qu'il travaille au plafond de laCathédrale Saint-Isaac. Sur l'avis de ses docteurs, Brioullov quitte la Russie pourMadère en 1849 et passe ses trois dernières années en Italie. Il est enterré au cimetière protestant de Rome.
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