Orvostudományt tanult az Aberdeeni és az Edinburgh-i Egyetemen. 1798-ban egy londoni utazás során Sir Joseph Banks, a Royal Society elnöke figyelt fel rá. Brown leginkább arról ismert, hogy ő fedezte fel az oldatban lévő részecskék természetes, folytonos mozgását. Ezt a mozgást Brown-mozgásnak nevezték el. Ezen kívül ő ismerte fel az alapvető különbséget a fenyőfélék és ezek rokonai, vagyis a nyitvatermők (gymnospermae) és a virágos növények, azaz a zárvatermők (angiospermae) között. Felfedezte a sejtmagot, amely a legtöbb növény élő sejtjeinek állandó alkotó része, ennek az elnevezése is tőle származik. Új nemzetségek és családok meghatározásával tökéletesítette a növények osztályozását. Munkásságával, különösen az ausztráliai flórával foglalkozó művével, lényegesen gyarapította a növénymorfológiai, a növényembriológiai és a növényföldrajzi ismereteket.