P.O. Brøndsted viste allerede i skolen sin interesse for den græske oldtid, og da han i 1796 på Københavns Universitet tog eksamen i græsk, brillerede han ved at opgive hele Iliaden af Homer, hvor der ellers kun krævedes mindre stykker.
I sine unge år blev han også omvendt til tilhænger af romantikken ved læsning af Adam Gottlob Oehlenschlägers digte. Han var blandt andet en velset gæst i Rahbeks hjem Bakkehuset. Han havde før været klassicist af den skole, der udsprang af 1700-tallets sidste halvdel.
Efter at have opnået doktorgraden i filologi i 1806 tog han på en længere rejse sammen med vennen Georg Koës. Rejsens endelige mål var Grækenland. På vejen sydpå gjorde de sammen med Adam Oehlenschläger ophold i forskellige tyske byer og overværede Slaget ved Jena. Efter et længere ophold i Paris drog han i 1809 til Rom for endelig i 1810 at ende i Athen. Her så han de engelske udgravninger af Parthenon. Under opholdet fik han efterretningerne om, at vennen Georg Koës var død på sin videre rejse til øen Zante.
I 1811 – 1812 stod P.O. Brøndsted selv for en større udgravning på øen Keos og mindre udgravninger rundt i Grækenland. Sidst i 1812 besøgte han den tyrkiske hersker i EpirusAli Pasha, som han førte lange samtaler med. Brøndsted skrev om dem i breve til familien.
Udarbejdelse af værket
1813 vendte P.O. Brøndsted hjem til Danmark, hvor han blev ansat som professor i filologi på Københavns Universitet. Samme år giftede han sig med Frederikke Koës. Deres ægteskab varede til 1818, hvor Frederikke døde. Samme år rejste P.O. Brøndsted igen sydpå, angiveligt for at skrive på sit store værk om Grækenland, men også for at begrave sorgen over tabet af sin hustru i arbejdet med oldtiden. I Rom blev P.O. Brøndsted ansat som dansk ambassadør i Pavestaten.
I disse år florerede mange selvstændighedsbevægelser, der krævede republik i mange af de italienske bystater, og P.O. Brøndsted så på disse bevægelser med stor sympati. Det danske kongedømme så dog ikke med venlige øjne på hans sympatitilkendegivelser til frihedsbevægelserne i brevene til Danmark. Han faldt i unåde og blev afskediget. Brøndsted havde arvet en betydelig formue fra sin hustru. Den satte ham i stand til at udarbejde sit værk om sin rejse i Grækenland.
1825 udkom første bind af Rejse i Grækenland på fransk og tysk, den danske udgave udkom først i 1844 efter P.O. Brøndsteds død, redigeret af studiekammeraten N.V. Dorph. Værket var pragtfuldt udstyret og yderst velillustreret med store kobberstik. I 1830 udkom andet bind, der blandt andet medtog studiet af Parthenonmetoperne efter Brøndsteds rejse til England og British Museum. P.O. Brøndsted havde planlagt yderligere fire bind i sit værk, men nåede aldrig at færdiggøre disse. Kun enkelte kobberstik er bevarede som forstudie til et af disse bind.
Senere år
I 1832 var P.O. Brøndsted vendt tilbage til Danmark, og her blev han udnævnt til direktør for Den Kongelige Mønt- og Medaillesamling og professor i filologi og arkæologi.
I de følgende år udgav han kun mindre skrifter og helligede sig det administrative arbejde og sine foredrag.
Michael Märcher: "Hvad endnu er skeet er mere for Publikum end for Videnskaben" – Det Kongelige Mynt- og Medaille-Cabinet 1832-42, Nordisk Numismatisk Årsskrift 2003-05, 2008, 167-227.