Geboren in Wien, Ausbildung zum Textilingenieur. Bis 1927 leitete er die Textilfabrik seines Vaters als technischer Direktor. Dann wurde die Fabrik verkauft. Von 1925 bis 1929 studierte Broch Mathematik, Philosophie und Psychologie.

Broch konvertierte vom Judentum zum Katholizismus und heiratete 1909 Franziska von Rothermann. Beide hatten einen Sohn. Die Ehe wurde 1923 geschieden.

Broch verkehrte in den Wiener Literatencafés, hatte regen Kontakt mit Robert Musil, Alfred Polgar, Egon Schiele und anderen.

Nach dem Einmarsch der Nationalsozialisten in Österreich wurde Broch von der Gestapo verhaftet. Weil sich James Joyce für ihn einsetzte, kam er wieder frei und emigrierte in die USA. 1950 wurde er Dozent für deutsche Literatur an der Yale University, New Haven. Ein Jahr später starb er an einem Herzschlag.