Pocos días después de su muerte, el diario católico de Córdoba escribe: “Es sabido que el Cura Brochero contrajo la enfermedad que lo ha llevado a la tumba, porque visitaba largo y hasta abrazaba a un leproso abandonado por ahí”. Debido a su enfermedad, renunció al Curato, viviendo unos años con sus hermanas en su pueblo natal. Pero respondiendo a la solicitud de sus antiguos feligreses, regresó a su casa de Villa del Transito, muriendo leproso y ciego el 26 de enero de 1914.
El proceso de canonización se inició en la década de 1960. Fue declarado venerable por el papa Juan Pablo II en 2004. Fue beatificado en la pequeña localidad cordobesa de Villa Cura Brochero el 14 de septiembre de 2013, luego de que se comprobara su intercesión milagrosa ante el niño Nicolás Flores, que estuvo al borde de la muerte con pérdida de masa ósea del cráneo y masa encefálica como resultado de un accidente automovilístico sufrido en Falda del Cañete (Córdoba).
La recuperación de la niña sanjuanina Camila Brusotti luego de haber sido golpeada por su madre y su padrastro y de sufrir uninfarto masivo en el hemisferio cerebral derecho, se consideró como un hecho extraordinario por parte de una junta de siete médicos, y como un milagro por parte de un tribunal eclesiástico de Roma. Según la Comisión Teológica, ese hecho se produjo por la intercesión de Brochero. El 22 de enero de 2016 el papa Francisco firmó el decreto que confirma un segundo milagro, y el consistorio celebrado el 15 de marzo de 2016 fijó la fecha de su canonización: 16 de octubre. Así, el cura Brochero se convirtió en la primera persona canonizada que nació y murió en este país.