Se ha declarado a menudo que nació en Bagnarea (ahora Bagnoregio), cerca de Viterbo. En su Op 12 él llamó a este su lugar de origen, pero estaba refiriéndose al hecho de que su familia procedía de allí -habían estado allí desde el siglo XV- mientras dejaba en claro que nació en Toscana. Recibió su principal educación musical en los años 1590 en Roma, donde su maestro fue G. M. Nanino; declara en el prólogo de su "Regole utilissime" que había visitado además muchas otras ciudades y escuelas. En 1603 se convirtió en maestro di cappella y organista de la catedral de San Miniato, cerca de Pisa. El último pago registrado que se le hizo fue en agosto de 1607.

Se trasladó a Prato en marzo de 1608 como maestro di cappella de la catedral y al mismo tiempo entró en contacto con la sociedad Florentina. En marzo de 1613 fue nombrado maestro di cappella del Gran Duque de Toscana de los Caballeros de San Esteban en Pisa. En su carta de recomendación al gran duque, los caballeros alababan sus calidades como compositor, cantante y músico general; ellos le pagaron un sueldo mensual de diez scudi, seis scudi más que lo recibido por su predecesor.

Edición discográfica de obras de Antonio Brunelli

Giovanni Pietro Bucchianti, en el prólogo a su "Arie, scherzi e madrigali" (1627), rindió un caluroso tributo a Brunelli como su maestro; Giovanni Bettini fue otro alumno. De hecho, las publicaciones didácticas de Brunelli sugieren que estaba muy interesado con la enseñanza, incluyendo, quizás, la enseñanza del canto. Estaba en términos íntimos con Giulio Caccini, a quien dedicó su libro de cánones de 1612 (su dedicatoria es una fuente útil de información sobre Caccini). En sus Op 10 incluyó dos canciones de Caccini y otras de Lorenzo Allegri, Vincenzo Calestani y Jacopo Peri; sus Op 12 incluyen tres piezas de Bettini. Fue reemplazado en Pisa por su hermano Lorenzo el 19 de noviembre de 1630, por lo que  probablemente murió poco antes de esa fecha. 

Brunelli es una figura importante, versátil, en el periodo de transición estilística en Florencia a principios del siglo XVII. Hasta recientemente, había sido estudiado principalmente como compositor de canciones, danzas y canciones de baile, pero fue educado en las tradiciones polifónicas de Roma y publicó una buena cantidad de polifonía sacra así como escritos pedagógicos, ejercicios vocales y cánones. De hecho, recientes estudios confirman que fue uno de los más significativos teóricos de música italianos de su tiempo.

En el prólogo a su "Regole utilissime" (1606), fechado después de su llegada a Toscana desde Roma, cuestionó la calidad duradera del nuevo estilo monódico, que claramente consideraba una moda efímera. En contacto con el animado ambiente florentino, hogar de Caccini, Peri y otros monodistas y un centro activo de música para entretención de la corte, debió, sin embargo, haber templado su entusiasmo por la polifonía, y en sus Opp.9, 10 y 12 produjo algunas de las más atractivas de todas las monodias, dúos y tríos  florentinos; un buen ejemplo es "Pur si rupp´il fero laccio" (en Op 10), con su persistente ritmo lombardo. Algunas de sus canciones tienen ritornellos, y en esto y otros aspectos son semejantes a las de Vincenzo Calestani. En sus Op 12 incluyó música de danza que se había realizado en funciones de la corte, como hizo, por ejemplo, Lorenzo Allegri en su "Primo libro delle musiche" (1618) y Marco da Gagliano en su "Musiche" (1615); se sabe que escribió con Peri la música para el "Ballo della cortesia", realizado en la corte  el 11 de febrero de 1614. Además, sus "Vari esercitii" no sólo es para voces sino también ‘para practicar en cornetas, flautas, flautas dulces, violas, violines e instrumentos similares'.