A vassoura foi primeiramente conhecida por seu estudo de répteis semelhantes a mamíferos. Após a descoberta de Raymond Dart da Criança Taung, uma criança australopiteca, o interesse de Vassoura pela palaeoantropologia foi aumentado. A carreira de Broom parecia ter acabado e ele estava afundando na pobreza, quando Dart escreveu a Jan Smuts sobre a situação. Smuts pressionou o governo sul-africano e conseguiu um cargo para Vassouras. Em 1934, ele se juntou ao pessoal do Museu Transvaal em Pretória como assistente em Paleontologia.
Nos anos seguintes, ele e John T. Robinson fizeram uma série de descobertas espetaculares, incluindo fragmentos de seis hominídeos em Sterkfontein, que eles chamaram de Plesianthropus transvaalensis, mas que mais tarde foi classificado como um Australopithecus africanus adulto, bem como mais descobertas em locais em Kromdraai e Swartkrans.
Em 1937, a Vassoura fez sua mais famosa descoberta de Paranthropus robustus. Estas descobertas ajudaram a apoiar as reivindicações de Dart em relação à espécie Taung.
O restante da carreira da Vassoura foi dedicado à exploração desses locais e à interpretação dos muitos restos mortais iniciais do hominídeo descobertos ali. Por seu volume, The South Africa fossil ape-men, o Australopithecinae, no qual ele propôs a subfamília Australopithecinae, Broom recebeu a Medalha Daniel Giraud Elliot da Academia Nacional de Ciências em 1946. Ele continuou a escrever até o último. Pouco antes de sua morte, ele terminou uma monografia sobre as Australopithecinas e fez uma observação a seu sobrinho:
"Agora isso está terminado... e eu também".