Российский физик-теоретик, основатель научной школы, академик АН СССР (1953), Герой Социалистического Труда (1953). Труды по квантовой теории, ядерной физике (теория обменных взаимодействий), теории излучения, физике твердого тела, физике элементарных частиц. Один из авторов теории излучения Черенкова — Вавилова. Автор учебника «Основы теории электричества». Государственная премия СССР (1946, 1953). Нобелевская премия (1958, совместно с Ильей Михайловичем Франком и Павлом Алексеевичем Черенковым). Золотая медаль имени Ломоносова АН СССР (1968).

В начале XX в. операции на сердце считались рискованным предприятием. Они проводились только в случае, если больной в буквальном смысле находился между жизнью и смертью. Летальный исход при таких операциях был обычным дело» В результате экспериментов на животных С.С. Брюхоненко пришел к выводу, что операции на сердце можно выполнять если функции сердца (на то время, пока оно находится в руках хирурга) передать аппарату искусственного дыхания.