Besökarna, som leddes av f.d. Burton boss Gary Rowett, satte tillbaka Brewers i de inledande utbytena.
Men Jackson Irvine testade då Blues väktare Adam Legzdins innan tidigare Birmingham lån underteckna Lloyd Dyer satte Burton framåt med en fantastisk finish.
Jamie Ward volleyed den andra, innan skepparen Michael Morrison ledde Blues bästa chans bred från ett sent hörn.
Burtons andra seger i nio ligamatcher lyfter Nigel Cloughs sida sex platser till 13 i mästerskapet, medan Birmingham förblir femte efter bara deras tredje nederlag för säsongen - men deras andra på på varandra följande fredagar.
Hemsidan kämpade till en början för att komma ur sin egen hälft, vilket skapade deras första klara chans när f.d. Burtonkeeper Legzdins använde sina ben för att förneka Irvine efter att före detta Aston Villa trainee Ward flackade på.
Nordirlands internationella Ward gav då passet för 34-årige Dyer att springa på, och han gav Blues Väktaren ingen chans med utsidan av sin vänstra fot.
Ward tvingade Legzdins till en smart nära-post spara efter överlista Ryan Shotton, men drog nytta av en marginell offside beslut att köra hem den andra som Burton gjorde det sex matcher obesegrad i matcher som spelas på fredag kvällar.
Burton Albion boss Nigel Clough sa till BBC Radio Derby:
"Trots den här säsongen har vi inte fått vad vi förtjänade men i kväll kunde vi ha vunnit med mer än två. Det är nästa steg för oss, för att verkligen få de resultat som våra föreställningar förtjänar.
– Psykologiskt sett är det viktigt för oss att försöka hålla oss borta från botten tre om vi kan. Det kommer att bli en kamp för att göra det, men nätter som ikväll utan tvekan hjälpa.
"Jamie Ward har gjort en och gjort en. Det är vad vi tog in honom för - den lilla biten av kvalitet. Balansen mellan honom och Chris O'Grady är viktig.
"Chris sliter strumporna av sig där uppe. Han är en så bra lagspelare och uppskattas av alla i omklädningsrummet."
Birmingham City manager Gary Rowett berättade för BBC WM:
"Vi var mycket fattiga, men Burton förtjänade det. De visade lite mer energi och körde på en svår kväll för oss.
"Derby och Sheffield onsdag har fått reda på den svåra vägen här också. Nigel har fått en bra sida, som spelar med verklig framåt kraft och kvalitet. De kommer att vända en hel del lag här, spela så där.
"Under de första 15 eller 20 minuterna, spelet pann ut hur vi ville och vi utnyttjade utrymmena. Men sedan kom de tillbaka in i det, arbetade med det vi gjorde och började sätta dit oss med sina vingryggar.
"Efter det lekte vi inte med tillräckligt mycket kvalitet. Vi måste vara mycket bättre än så mot Aston Villa nästa vecka."
Matchen slutar, Burton Albion 2, Birmingham City 0.
Andra halvlek, Burton Albion 2, Birmingham City 0.
Försök blockerat. Greg Stewart (Birmingham City) vänster fotade skott utanför lådan är blockerad. Hjälpt av Che Adams.
Utanför Birmingham City. Maikel Kieftenbeld försöker en genom boll, men Lukas Jutkiewicz fångas offside.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Substitution, Burton Albion. Hamza Choudhury ersätter Matthew Palmer.
Försening i match Clayton Donaldson (Birmingham City) på grund av en skada.
Jonathan Spector (Birmingham City) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Chris O'Grady (Burton Albion).
Försök missade. Jackson Irvine (Burton Albion) höger fotade skott utanför lådan missar till höger. Hjälpt av Lee Williamson med ett nyckelkort.
Substitution, Burton Albion. Lee Williamson ersätter Tom Naylor.
Försök missade. Tom Naylor (Burton Albion) höger fotade skott från utsidan lådan är nära, men missar den övre högra hörnet. Hjälpt av Jackson Irvine med ett nyckelkort efter en viss situation.
Foul av Jonathan Grounds (Birmingham City).
Lucas Akins (Burton Albion) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Jonathan Spector (Birmingham City).
Chris O'Grady (Burton Albion) vinner en frispark i anfallshalvan.
Michael Morrison (Birmingham City) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Chris O'Grady (Burton Albion).
Substitution, Burton Albion. Will Miller ersätter Jamie Ward.
Försök missade. Michael Morrison (Birmingham City) huvudet från mitten av lådan är nära, men missar till vänster. Hjälpt av Greg Stewart med ett kors som följer ett hörn.
Hörnet, Birmingham City. Förföljd av Kyle McFadzean.
Försök blockerat. Che Adams (Birmingham City) höger fotade skott utanför lådan är blockerad. Hjälpt av Clayton Donaldson.
Försök missade. Jackson Irvine (Burton Albion) huvudet från mitten av lådan är bara lite för hög. Hjälpt av Lucas Abins med ett kors.
Försök blockerat. Lukas Jutkiewicz (Birmingham City) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Jonathan Grounds.
Försök blockerat. Greg Stewart (Birmingham City) vänster fotade skott utanför lådan är blockerad.
Clayton Donaldson (Birmingham City) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av John Brayford (Burton Albion).
Försök missade. Chris O'Grady (Burton Albion) vänster fotade skott från mitten av lådan är nära, men missar till vänster. Hjälpt av Jamie Ward.
Ryan Shotton (Birmingham City) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Ryan Shotton (Birmingham City).
Jamie Ward (Burton Albion) vinner en frispark på högerkanten.
Substitution, Birmingham City. Greg Stewart ersätter Jacques Maghoma.
Utombords, Burton Albion. John Brayford försöker en genom boll, men Chris O'Grady fångas offside.
Foul av Jacques Maghoma (Birmingham City).
Jackson Irvine (Burton Albion) vinner en frispark i anfallshalvan.
Che Adams (Birmingham City) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Tom Naylor (Burton Albion).
Hörnet, Birmingham City. Förföljd av Lloyd Dyer.
Jonathan Grounds (Birmingham City) visas det gula kortet.
Mål!  Burton Albion 2, Birmingham City 0. Jamie Ward (Burton Albion) vänster fotade skott från mitten av lådan till mitten av målet. Hjälpt av John Brayford med ett nyckelkort.
Burton Albion gjorde ett mål i varje hälft för att välförtjänt vinna sitt första tävlingsmöte med Birmingham.