Skådespelaren sa att han var "kastad" för att bli ombedd att porträttera Tommy Butler i The Great Train Robbery: A Copper's Tale.
Dramat kommer att följa A Robber's Tale, som kommer att se stöten från förövarnas perspektiv.
Luke Evans kommer att medverka i filmen som Bruce Reynolds, rädens nyckelplanerare.
Broadbent sa att det skulle vara "bra kul" att spela Butler, "en fascinerande koppar av den gamla skolan", i dramat, att sända senare i år.
"Jag har så starka minnen av den massiva effekten av det faktiska rånet och det är underbart att ta reda på från manuset så mycket av den verkliga historien."
Chris Chibnall, verkställande producent och författare av de stora tåg rån dramer, sade Broadbent var "en dröm bit av gjutning".
Skådespelaren vann en Oscar 2001 för att han spelade författaren Iris Murdochs make i Iris och en Bafta 2007 för att han spelade fältkämpen Lord Longford.
Butler, vars skarpsinnighet gav honom smeknamnet "Grey Fox", ledde utredningen av det stora tågrånet som resulterade i att flera av rånarna fick långa straff.
År 1969 gick han i pension och dog följande år vid 57 års ålder.
Jim Broadbent kommer att spela detektiven anklagad för att spåra de stora tågrånarna i den andra av två BBC-draman som markerar 50-årsdagen av räden i augusti 1963.