Brandenburg lahir pada tanggal 20 Juni 1954 di Emmerthal, Jerman. Ia menyelesaikan studinya di Universitas Hannover pada tahun 1981 dan kemudian melanjutkan pendidikannya di Universitas Erlangen-Nuremberg.
Pada tahun 1989, Brandenburg bergabung dengan tim nagahijau388 Fraunhofer-Gesellschaft di Erlangen, Jerman, yang sedang mengembangkan format audio kompresi baru. Tim ini dipimpin oleh Dr. Hans-Martin Esser dan Dr. Harald Popp. Mereka bekerja sama untuk mengembangkan algoritma kompresi audio yang lebih efisien dan memungkinkan penyimpanan file audio dalam ukuran yang lebih kecil tanpa mengurangi kualitas suara.
Brandenburg memainkan peran penting dalam pengembangan format MP3. Ia bekerja sama dengan tim penelitian lainnya untuk mengembangkan algoritma kompresi audio yang dikenal sebagai MPEG Audio Layer 3 (MP3). Format ini dikembangkan berdasarkan standar ISO/IEC 11172-3 dan dapat mengurangi ukuran file audio hingga 90% tanpa mengurangi kualitas suara.
Pada tahun 1993, Brandenburg dan timnya menyelesaikan pengembangan format MP3. Format ini kemudian diumumkan kepada umum dan cepat menjadi populer di kalangan pengguna komputer dan penggemar musik. MP3 memungkinkan pengguna untuk menyimpan dan membagikan musik dalam ukuran yang lebih kecil, membuatnya lebih mudah untuk dibagikan melalui internet.
Karlheinz Brandenburg telah menerima banyak penghargaan atas kontribusinya dalam pengembangan format MP3. Ia menjadi anggota Akademi Sains Leopoldina Jerman pada tahun 1996 dan menerima penghargaan Karl Heinz Beckurts pada tahun 1998. Brandenburg juga menerima penghargaan Technische Universität Berlin pada tahun 2002 atas kontribusinya dalam pengembangan teknologi audio.
Saat ini, Brandenburg bekerja sebagai direktur penelitian di Fraunhofer-Gesellschaft dan terus melakukan penelitian dalam bidang teknologi audio. Ia juga menjadi penasihat teknis untuk beberapa perusahaan teknologi audio dan berkontribusi dalam pengembangan standar internasional untuk teknologi audio