В конце 1781 или в начале 1782 года Бренна познакомился с цесаревичем Павлом, путешествовавшим вместе с женой по Европе под именем графа и графини Норд («Северных»). Павел пригласил Бренна для декорирования дворца в Павловске; архитектор по его приглашению прибыл в Россию в 1783 году

В России Бренна работал до начала 1802 года. Участвовал в строительстве и отделке помещений дворцов в Павловске и Гатчине (Большой Гатчинский дворец), Михайловского замка в Санкт-Петербурге (совместно с В. И. Баженовым). Был архитектором Румянцевского обелиска в ознаменование побед в русско-турецкой войне 1787—1791 годов (1798, первоначально на Марсовом поле, позднее был перенесён в сквер у здания Академии художеств). Достроил третий Исаакиевский собор, начатый Антонио Ринальди. В 1797 году В.Бренна занимался отделкой интерьеров Каменноостровского дворца. В августе 1802 года Бренна отправился со своим учеником Карло Росси в Штеттин, откуда была родом его вторая жена Луиза Вильгельмина Трауфельдт. Последним зданием Бренны в Санкт-Петербурге стал деревянный театр, построенный по заказу Антонио Казасси в 1801 году (в 1832 году на его месте Карло Росси выстроил современное здание Александринского театра). Летом 1804 года Бренна попытался вернуться в Россию, однако его место в Павловске было занято Воронихиным, а в Санкт-Петербурге — Тома де Томоном. Осенью 1805 года Бренна принял в Риме звание члена Академии Святого Луки.

Бренна является архитектором переходного периода, сочетавшим черты классицизма и позднего барокко с элементами романтизма. Для Бренны-декоратора характерно обильное применение лепки. Он широко пользовался позолотой, выделявшейся на общем светло тонированном фоне стен и перекрытий. Бренна был очень не ровным мастером: иногда он проявлял себя умелым декоратором и эффектно строил свои композиции, но иногда крайне перегружал их случайными, мало связанными между собой элементами. С лучшей стороны дарование Бренны проявилось в таких сооружениях, как обелиск Румянцеву в Петербурге.