Brown egy skót episzkopális pap fia volt. Az aberdeeni és Edinburgh-i egyetemeken orvostudományt tanult, és öt évet töltött a brit hadseregben, mint zászlós és sebész asszisztens (1795-1800). Egy londoni látogatás 1798 – ban felhívta Brown figyelmét Sir Joseph Banks, a Királyi Társaság elnöke. Banks ajánlotta Brownt az Admiralitásnak természettudósi posztra egy hajó fedélzetén, a nyomozó, felmérő útra Ausztrália északi és déli partjai mentén Matthew Flinders parancsnoksága alatt.

Brown 1801 júliusában vitorlázott az expedícióval. A kutató 1801 decemberében érte el a King George Sound-ot, Nyugat-Ausztráliát, a nagy virággazdagságú és sokszínűségű területet. 1803 júniusáig, amíg a hajó körüljárta Ausztráliát, Brown kiterjedt növénygyűjteményeket készített. 1805 októberében visszatérve Angliába, Brown az összegyűjtött mintegy 3900 faj osztályozásának szentelte idejét, amelyek szinte mindegyike új volt a tudomány számára.

Brown ausztráliai utazásának eredményeit részben 1810-ben tették közzé a Prodromus Florae Novae Hollandiae et Insulae Van Diemen, a szisztematikus Botanika klasszikusa és fő munkája. Bár a kiadvány lefektette az Ausztrál Botanika alapjait, miközben finomította az uralkodó növényosztályozási rendszereket, Brown csalódott volt a kis eladás miatt, és csak egy kötetet adott ki. Brown szoros megfigyelése a perces, de jelentős részletekről a Proteaceae növénycsaládról szóló kiadványában is megjelent, amelyben bemutatta, hogy a pollenszemes karakterek tanulmányozása hogyan segítheti a növények új nemzetségekbe történő besorolását. 1810-ben Banks Brownt nevezte ki könyvtárosának, 1820-ban pedig kiterjedt botanikai gyűjteményét és könyvtárát hagyta rá. Brown áthelyezte őket a British Museum 1827-ben, amikor az újonnan alakult botanikai osztály őrzője lett.

1828-ban Brown kiadott egy röpiratot, a mikroszkópos megfigyelések rövid ismertetését…, a különféle mikroszkopikus részecskék “gyors oszcillációs mozgásával” kapcsolatos megfigyeléseiről. Feljegyezte, hogy miután észrevette a Clarkia pulchella élő pollenszemeiben lebegő mozgó részecskéket (ma már amiloplasztok, a keményítő szintézisében részt vevő organellák), megvizsgálta sok más növény élő és elhalt pollenszemét is, és hasonló mozgást figyelt meg mindegyikben. Brown ezután finom porrá redukált és vízben szuszpendált szerves és szervetlen anyagokkal kísérletezett. Munkája feltárta, hogy a véletlenszerű mozgás az anyag általános tulajdonsága ebben az állapotban, és a jelenséget már régóta Brown-mozgásnak nevezik tiszteletére.

1831-ben, miközben az Orchidaceae és Asclepiadaceae családok növényeinek megtermékenyítési mechanizmusait vizsgálta, megjegyezte, hogy létezik egy szerkezet az orchideák sejtjeiben, valamint sok más növényben, amelyet a sejt “magjának” nevezett. Bár nem ő volt a sejtmagok első megfigyelése, a kifejezés megnevezése továbbra is fennmaradt. Megfigyelései bizonyítják úttörő mikroszkópos munkájának hatókörét és mélységét, valamint azt, hogy képes messzemenő következtetéseket levonni elszigetelt adatokból vagy kiválasztott struktúrákból.Brownt 1810-ben a Royal Society tagjává választották, és 1849 és 1853 között a Linnean Society elnöke volt. Számos Ausztrál növényfaj, köztük a Brown ‘s banksia (Banksia brownii) és a Brown’ s box (Eucalyptus brownii), róla nevezték el.