הקיבוץ נוסד על ידי גרעין שהתגבש ברחובות בשנת 1926. גרעין זה הורכב משלוש קבוצות של חלוצים:  'קיבוץ ווהלין', שחבריו עלו מפולין בשנת 1925 וקיבלו הכשרה בחדרה, 'קיבוץ ליטא', שחבריו עלו מליטא בשנת 1926 וקיבלו הכשרה ברחובות, וקיבוץ 'מעיין' שחבריו עלו מרוסיה בשנים 1926-1925 וקיבלו הכשרה בנס ציונה. המייסדים היו מיוצאי תנועת 'החלוץ' וחברי שני הקיבוצים הראשונים שהו בחוות הכשרה בחו"ל לפני עליתם ארצה.

לרשות המתיישבים נמסרו מאתיים דונם אדמה בין רחובות לזרנוגה. במרס 1928 החל עיבוד האדמות והוקמו שלושה אוהלים. ב-29 ביוני 1928 עלה הקיבוץ כולו על הקרקע. בחודשים הראשונים התפרנסו החברים מעבודה שכירה בפרדסי הסביבה. רבים מהם עזבו  בשל התנאים הקשים במקום. לקראת סוף השנה קיבלו המתיישבים חיזוק משמעותי עם הצטרפות קיבוץ 'חירות', מחלוצי העליה  מגרמניה. במאי 1929 העביר אנצו סרני, ממנהיגי המתיישבים, לקרן קיימת כספי תרומות שאסף באיטליה. בכספים אלה נרכשו עבור הקיבוץ  אלף דונם נוספים. במאורעות 1929 פונה הקיבוץ לכמה ימים.

למרות בעיות התעסוקה הקשות, שאף גבעת ברנר להיות 'קיבוץ גדול וגדל' וקלט במהלך השנים חלוצים רבים מפולין, מגרמניה, מליטא, מרוסיה, מאיטליה וממדינות נוספות. בתחילת 1930 הוחלט לקרוא לישוב 'גבעת ברנר' והחלה בנית מבני הקבע. מרבית חברי הקיבוץ עבדו בעבודות חוץ בפרדסי רחובות, בים המלח ובתחנת הכוח בנהריים. המשק החקלאי של הקיבוץ התפתח גם הוא ובהדרגה נוספו ענפים חדשים: גן ירק, משתלה, כרם, פרדס, רפת ולול. התפתחו ענפי תעסוקה נוספים: נגריה, קואופרטיב תחבורה, מסגריה ועוד. בשל המחסור בקרקע חקלאית פיתח הקיבוץ מפעלי תעשיה. בתחילה הוקם מפעל השימורים 'רימון' - חלוץ התעשייה הקיבוצית,  ובעקבותיו בית החרושת 'מטר' למוצרי השקיה. גבעת ברנר היה גם הקיבוץ הראשון שנפתח בו בית הבראה, 'בית ישע'.

בתקופת מלחמת העולם השניה התגייסו רבים מחברי הקיבוץ לפלמ"ח, למשמר החופים ולצבא הבריטי. בתקופה שלפני הקמת המדינה היה בגבעת ברנר בסיס של הפלמ"ח וחברי ה'הגנה' מהיישובים הסמוכים התאמנו במקום. בשנת 1944 יצא אנצו סרני בשליחות לאירופה עם צנחני הישוב, נתפס והוצא להורג במחנה דכאו. ביוני 1946, ב'שבת השחורה', נערכו חיפושים בקיבוץ אחר נשק וחלק מחברי הקיבוץ נשלחו למאסר ברפיח. במרס 1947 סייעו חברי הקיבוץ להורדת מעפילי הספינה 'שבתאי לוזינסקי' בחוף ניצנים, כחמישים מהם נתפסו וגורשו לקפריסין. במלחמת העצמאות היווה הקיבוץ נקודת יציאה לשיירות מזון ונשק שיצאו אל הנגב הנצור. חברי הקיבוץ התגייסו לסיוע ולהדרכה בקיבוצים חדשים: בית גוברין, אילות, משגב עם ורגבים.

במלאת עשרים שנה להיווסדו מנה הקיבוץ כ-800 חברים, ומלבד הפעילות המשקית התנהלה בו פעילות תרבותית וספורטיבית עשירה. בשנת 1952 בעקבות הפילוג בתנועת 'הקיבוץ המאוחד', עבר הקיבוץ פילוג קשה וכמאה משפחות עברו לנצר סרני הסמוך. ענפי משק רבים כמעט קרסו, חיי התרבות המפותחים נפגעו והפיתוח של הקיבוץ נבלם לתקופה ממושכת. במרוצת הזמן התאושש הקיבוץ ושב להתרחב ולהתפתח. בשנות השבעים מנה הקיבוץ כ-1,800 תושבים והיה אז הקיבוץ הגדול בישראל. כיום מונה הקיבוץ 1,400 תושבים, מתוכם 550 חברי קיבוץ. תושבי הקיבוץ מתפרנסים מחקלאות (גידולי שדה, משתלה, בתי צמיחה, יצור דשא מוכן, רפת), תעשיה (מפעל 'גביש' למערכות מחשוב ובקרה), שירותים ופנאי (מרכז השעשועים 'בית חלומותי',  מרכז הדרכה, אולמות מופעים וכנסים), עסקים קטנים ועבודות חוץ.  הקיבוץ עבר הפרטה ובסמוך אליו נבנית הרחבה קהילתית.

במבנה הישן של מחסן הקיבוץ הוקם מוזיאון 'אוצרות' לתולדות קיבוץ גבעת ברנר. המוזיאון מציג את ראשיתו של הקיבוץ ואת סיפורם של מייסדיו.