Учился в Уинчестер-колледже и Бродгейт-Холле (ныне Пембрук-колледж) Оксфордского университета, закончил образование в 1626. Путешествовал по Ирландии, изучал медицину в университетах Монпелье и Падуи, защитил докторскую диссертацию в Лейдене, впоследствии обосновался в Галифаксе, где занялся врачебной практикой. В 1637, получив звание доктора наук в Оксфорде, перебрался в Норидж, где прожил всю оставшуюся жизнь.

Броун был выдающимся терапевтом, однако его международная слава писателя еще при жизни затмила славу врача. Первая книга «Религия врача» (Religio Medici, 1642) втайне от автора была дважды напечатана с одной из рукописей, ходивших среди его друзей. В 1646 вышла книга «Эпидемия ложных мнений» (Pseudodoxia Epidemica), больше известная под названием «Распространенные заблуждения», в которой собраны весьма занимательные рассуждения о науке, древностях и истории. В 1658 была опубликована последняя книга Броуна — «Погребение в урнах и сад Кира» (Urne Burial and The Garden of Cyrus).

Хотя по убеждениям Броун был роялистом и в 1671 Карл II посвятил его в рыцари, единственным отзвуком Гражданской войны в его сочинениях является беглое упоминание об «этом неразумном веке». Умер Броун в Норидже 19 октября 1682.