Trygve Braatøy spilte en betydelig rolle i utviklingen av psykoanalysen som behandlingsform i Norge, og gjennom sine tallrike kulturanalytiske og populærvitenskapelige artikler kom han til å spille en sentral rolle i norsk åndsliv.
Trygve Frøyland Nielsen, som han opprinnelig het, bodde de første årene av sitt liv i USA, der faren var prest i forskjellige norske menigheter. 1908 flyttet familien hjem til Norge, hvor Trygve tok examen artium ved Kristiania katedralskole 1922 og medisinsk embetseksamen ved universitetet i Oslo 1929. Etter tre år med legevikariater begynte han på sin psykiatriske spesialistutdannelse ved Psykiatrisk klinikk 1932, først som kandidat, senere assistentlege. Fra 1935 var han assistentlege ved psykiatrisk avdeling ved Ullevål sykehus, og ble samme år spesialist i sinnssykdommer og nervøse lidelser.
1936 tok han doktorgraden ved Universitetet i Oslo på avhandlingen Männer zwischen 15 und 25 Jahren. Mentalhygienische Untersuchungen mit besonderer Berücksichtigung der Schizophrenie. Fra 1946 til 1952 var han overlege ved Ullevål sykehus, psykiatrisk avdeling, men søkte avskjed delvis i protest mot et rigid sykehussystem. Han praktiserte deretter som psykiater i Oslo den korte tiden frem til sin død. 1931–32 hadde han et 7 måneders studieopphold ved det psykoanalytiske institutt i Berlin under Otto Fenichel, og 1949–51 var han læreanalytiker i Menninger Foundation, Topeka, USA.
Trygve Braatøy var en forkjemper for dynamiske synspunkter i psykiatrien og fremhevet betydningen av den nære, langvarige kontakten med pasienten. Han var sterkt kritisk til sykehusmedisinen, som han mente upersonliggjorde pasienten, og til det offentlige helsevesen, Helsedirektoratet og byråkratiet. I en rekke vitenskapelige og populærvitenskapelige arbeider, bl.a. Sorger og sinnslidelser (1937), De nervøse sinn (1947) og Pasienten og lægen (1952), fremhevet han allmennmedisinerens viktige rolle og fordelene ved private kontra offentlige behandlingstilbud. Han pekte på betydningen av å utvikle et helhetsbilde av pasienten, ikke et fragmentarisk bilde med laboratorieprøver, tester og statistikk.
Braatøys arbeid vedrørende nonverbal kommunikasjon, kroppsspråk, muskelspenninger og smerter i kropp og sjel er videreført og er fortsatt av betydning for psykiatrisk behandling her i landet. Hans samarbeid med fysioterapeuten Aadel Bülow-Hansen om behandling av nevromuskulære spenningstilstander, den såkalte psykomotoriske fysioterapi, har dannet skole, og han hadde stor betydning for utvikling av psykoanalysen i Norge.
Som forsker var Braatøy neppe penetrerende, men som samfunnskritiker, kulturanalytiker, forfatter og popularisator hadde han stor påvirkning på samtiden. Han var en produktiv og idérik forfatter og blant hans bøker og essaysamlinger kan nevnes Hinsides Freud (1931), Kjærlighet og åndsliv (1934), De unge menn (1936) og Tvil og tro (1940). Han innførte også psykoanalytiske synspunkter i litteraturforskningen; allerede som student gav han ut Livets Cirkel, en analyse av Knut Hamsuns diktning.