En droit, ses recherches portent essentiellement sur le droit public économique (contentieux administratif économique, droit belge et européen des services publics, des entreprises publiques et des autorités de régulation, droit belge et européen des télécommunications et de l'audiovisuel), et de manière plus générale sur le droit constitutionnel et administratif belge.
En histoire du droit, Pierre-Olivier de Broux est spécialisé en histoire du droit public, des institutions et des droits humains, aux niveaux belge, européen et international, ainsi qu'en histoire du droit colonial. Il est attaché à faire connaître largement les outils de l'historien, indispensables à tout citoyen confronté à l'avènement de la société de l'information, mais aussi à confronter les (futurs) juristes à la mise en œuvre pratique du droit et à la rencontre du droit et des faits, voire de l'histoire. Ces préoccupations s'inscrivent dans ses recherches menées sur les relations étroites nouées entre le droit et l'histoire (l'histoire dans les prétoires, le droit de l'histoire, les lois mémorielles, etc.).
