Brüning forscht zur physiologischen Rolle der Insulinwirkung, insbesondere im Zentralnervensystem, sowie an der Identifizierung der molekularen Mechanismen der Adipositas-assoziierten Insulinresistenz.
Neben dem Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung in Köln ist er Leiter der Poliklinik für Diabetes, Endokrinologie und Präventivmedizin am Universitätsklinikum Köln. Er hat den Aufbau des Kölner Exzellenzclusters zu zellulären Stressantworten bei altersbedingten Erkrankungen (CECAD) an der Universität zu Köln geleitet und war von 2007 bis 2018 dessen Gründungsdirektor. Seit 2011 hat er auch die Neuausrichtung des Max-Planck-Instituts zu seinem heutigen Schwerpunkt geleitet.