Brush gehört seit den 1960er Jahren zu den führenden Wissenschaftshistorikern auf dem Gebiet der statistischen Mechanik und Thermodynamik, aber auch zum Beispiel der Geophysik (Geschichte der Planetesimal-Theorie der Entstehung der Planeten, der Entdeckung des Erdkerns durch seismische Wellen, der Theorien des Ursprungs des Mondes, Theorien des Alters der Erde). Seine Arbeiten zur Geschichte der Thermodynamik begannen 1957/58 in einer Reihe von Aufsätzen in Annals of Science (Development of the kinetic theory of gases), als er auf vergessene Vorläufer der kinetischen Theorie wie John Herapath und John James Waterston (der in einer von der Royal Society zurückgewiesenen Arbeit 1845 den Gleichverteilungssatz formulierte) aufmerksam machte. 1964 gab er die Vorlesungen von Ludwig Boltzmann über Gastheorie in englischer Übersetzung heraus und er veröffentlichte auch mehrere Reprint-Bände mit klassischen Arbeiten aus der statistischen Mechanik.
Brush selbst arbeitete in statistischer Mechanik und Plasmaphysik in den 1950er- und 1960er-Jahren unter anderem im Lawrence Livermore National Laboratory. Er ist ein Befürworter der Verwendung der Physikgeschichte im Unterricht von Schulen und war an der Entwicklung eines entsprechenden Projekts in Harvard beteiligt.
Für sein Buch The Kind of Motion We Call Heat von 1976 erhielt er den Pfizer Award als bestes Buch über Wissenschaftsgeschichte. 1974 veröffentlichte er in der Zeitschrift Science einen kritischen Beitrag über die Vorstellung des Physikers als „neutralem Faktenfinder“.
Kinetic Theory. Oxford, Pergamon Press, Band 1 (The nature of gases and of heat), 1965, Band 2 (Irreversible Processes), 1966, Band 3, The Chapman-Enskog Theory of the transport equation of moderately dense gases (Arbeiten von David Enskog, Sydney Chapman, David Hilbert), 1972
The Kind of Motion We Call Heat – A History of the Kinetic Theory of Gases in the 19th Century. North Holland 1976, 2 Bände
Statistical Physics and the Atomic Theory of Matter from Boyle and Newton to Landau and Onsager. Princeton University Press, 1983
The Kinetic Theory of Gases – An Anthology of Classical Papers with Commentary. Imperial College Press 2003
Herausgeber mit Elizabeth Garber, C. W. F. Everitt: Maxwell on Molecules and Gases. MIT Press 1986 (aus dem wissenschaftlichen Briefwechsel Maxwells)
Herausgeber mit Garber, Everitt: Maxwell on Heat and Statistical Mechanics, on Avoiding All „Personal Inquiries“ of Molecules. Lehigh University Press 1995
Zur Geschichte der Geophysik:
Theories of Origins of the Solar System 1956–1985. In: Reviews of Modern Physics, Band 62, 1990, S. 42–112
A History of Modern Planetary Physics. 3 Bände, Cambridge University Physics 1995
mit Helmut Landsberg: History of Geophysics and Meteorology – an annotated bibliography. New York, Garland 1985
mit C. S. Gillmor: Geophysics. In: Brown, Pais, Pippard (Herausgeber): Twentieth Century Physics. IOP 1995
Zur Wissenschaftsgeschichte:
mit Gerald Holton: Introduction to Concepts and Theories in the Physical Sciences. 2. Auflage, Addison-Wesley 1973 (Neuauflage des Buches von Holton von 1952), Princeton University Press 1985, 3. Auflage als: Physics. the human adventure, from Copernicus to Einstein and beyond. Rutgers University Press 2001, ISBN 0-8135-2908-5
The History of Modern Science. A Guide to the Second Scientific Revolution 1800–1950. Iowa State University Press 1988
Die Temperatur der Geschichte. Wissenschaftliche und kulturelle Phasen im 19. Jahrhundert. Vieweg 1987 (englisches Original The temperature of history. New York, Franklin 1978)
Herausgeber: Maxwell on Saturns Rings. Maxwells Unpublished Manuscripts and Letters on the Stability of Saturn’s Rings. MIT Press 1983
mit Lanfranco Belloni: The History of Modern Physics. An Annotated Bibliography. New York, Garland 1983
Herausgeber: History of Physics. Selected Reprints. American Association of Physics Teachers, College Park 1988