Nato a Milano nel 1839, avviato agli studi seminariali dal padre che ne intuì la propensione alla vita ecclesiastica, fu ordinato sacerdote nel 1862.
Giunto a Varese l’anno successivo, si dedicò a partire dal 1864 all’educazione dei giovani come direttore dell’oratorio del borgo, aperto in quell’anno grazie all’opera di don Vittore Veratti.
Patriota, pensava che la missione spirituale del Papa dovesse prevalere sugli impegni secolari. Per questo, si schierò con discrezione a favore del ritiro del papato dai suoi impegni politici e territoriali.
Questa sua posizione gli procurò l’ostilità del clero locale. Si ritirò dunque dalla vita pubblica concentrandosi sugli studi, in particolare delle lingue latina ed italiana e di storia locale.
Diede una prima prova di sé pubblicando, in occasione dell’esposizione varesina del 1871, alcuni opuscoli riguardanti le vicende e i monumenti di Varese. Le reazione dei lettori furono incoraggianti.
Nel 1874 pubblicò presso la tipografia varesina di Eugenio Galli l'opera in due volumi Varese e il suo circondario, nella quale raccoglieva un' importante mole di notizie sulla terra varesina con la metodologia e lo stile tipico della storiografia dell’epoca.
In essa, Luigi Brambilla racconta storie e vicende di questa terra, ne descrive i monumenti e ne ricorda i personaggi forse con qualche approssimazione, ma dando l'opportunità al lettore odierno di conoscere episodi della cultura locale dei quali sono scomparse le testimonianze.
Nel 1874, il Brambilla lasciò Varese per trasferirsi a Milano, continuando comunque a scrivere di storia varesina. Nel 1877 pubblicò la Guida al santuario della Madonna del Monte sopra Varese, e nel 1886 la Guida-ricordo di Varese e suoi dintorni.
Morì a Milano nel 1903.