Van den Broek studeerde medicijnen aan de Universiteit van Amsterdam waar hij in 1902 zijn artsexamen deed. Zijn interesse ging daarna vooral uit naar de anatomie. Hij werd prosector en in 1905 privaatdocent in de anatomie aan de Amsterdamse universiteit. In 1909 volgde zijn benoeming tot gewoon hoogleraar in de anatomie aan de Universiteit Utrecht. Zoals dat bij meer artsen-anatomen van zijn generatie het geval was ontwikkelde Van den Broek een grote belangstelling voor de antropologie, in het bijzonder voor de lichamelijke kenmerken van de toen pas ontdekte 'dwergrassen' in Nederlands Nieuw-Guinea waaraan hij enkele gezaghebbende publicaties wijdde. Voor een breder publiek schreef hij een aantal succesvolle boeken over de evolutie en vroegste geschiedenis van de mens.