Vystudoval hudebně-dramatický obor na Pražské konzervatoři, po kterém nastoupil do Divadla Na Fidlovačce. Předvedl se v Přeletu nad kukaččím hnízdem, Cyranovi z Bergeracu nebo v Čechovových Třech sestrách. Mimoto složil Ondřej Brousek hudbu k inscenacím Funny Girl či Žena v bílém. Od roku 1999 hraje na klávesy ve funkové skupině Monkey Business.
Několik rolí mu nabídly i film a televize. Do prince Otmara se Ondřej Brousek vžil v pohádce Pták Ohnivák, chlapce Eliena ztvárnil v kultovní komedii Pelíšky a Patrika Všetečku v krimi dramatu Bolero. Objevil se krom toho i v seriálu Nemocnice na kraji města po dvaceti letech.
Ondřej Brousek se narodil do herecké rodiny Otakaru Brouskovi ml. a Zuzaně Mixové. V roce 2002 se oženil s herečkou a moderátorkou Adélou Gondíkovou, se kterou má dceru Nelu. Manželství se ale nakonec rozpadlo. V roce 2011 se za něj provdala herečka Anna Remková, dcera kosmonauta Vladimíra Remka. O rok později porodila Brouskovi syna Františka.