Desde niño, Barnum Brown ayudó en las tareas de la granja y comenzó su primera colección de fósiles siguiendo el arado, que desenterraba corales fósiles y puntas de flecha nativas. Sus padres, al ver su interés por la ciencia, lo enviaron a la única escuela disponible en Carbondale. Terminó su educación allí en 1889, con 16 años, y emprendió un viaje de cuatro meses a Montana junto a su padre. Las fuentes mencionan varios motivos para este viaje: darle experiencia, buscar una posible nueva residencia o incluso evitar una denuncia de incesto presentada contra William por Melissa, la hermana mayor de Brown. Tras regresar en otoño, Barnum Brown comenzó la escuela secundaria en Lawrence y en 1893 se matriculó en la Universidad de Kansas.

En la Universidad de Kansas, Barnum Brown se interesó por la arqueología y la paleontología. En su primer año tomó un curso con Samuel Wendell Williston, quien lo invitó a una expedición de recolección de fósiles a Nebraska y Dakota del Sur en 1894, junto a Ermine Cowles Case y Elmer S. Riggs. Williston se convirtió en su principal mentor y lo llevó a otra expedición a Wyoming en 1895. Durante el trabajo en Dakota del Sur en 1894, Barnum Brown conoció a una expedición del Museo Americano de Historia Natural (AMNH), dirigida por Jacob Wortman. En 1896, Wortman necesitaba un asistente y Williston recomendó a Brown. Barnum Brown dejó sus clases antes de terminar el semestre para unirse a la expedición a la Formación Morrison en Wyoming. Allí impresionó a Wortman y al curador jefe del AMNH, Henry Fairfield Osborn, al descubrir un esqueleto casi completo de Coryphodon cerca del río Greybull. A principios de 1897, Osborn le ofreció un puesto como curador asistente en el AMNH y una beca para estudios de posgrado en la Universidad de Columbia.

Patrocinado por el AMNH, Barnum Brown recorrió el país negociando y comerciando fósiles. No se limitaba a los dinosaurios: recogía cualquier material con posible valor científico. A menudo enviaba dinero para que le mandaran fósiles directamente al museo, y cada nuevo hallazgo generaba una intensa correspondencia entre Brown y los descubridores. En cuanto a nomenclatura, Barnum Brown solía nombrar fósiles en honor a personas o eventos relevantes en su vida en el momento del descubrimiento.

A finales de la década de 1890, Barnum Brown trabajó varios años en Como Bluff, Wyoming, donde descubrió un destacado espécimen de Diplodocus e introdujo nuevos métodos de extracción y preparación. En 1902 dirigió una expedición a la Formación Hell Creek, en el sureste de Montana, donde realizó su hallazgo más famoso: los primeros restos documentados de Tyrannosaurus rex. En 1910 fue ascendido a comisario asociado del Departamento de Paleontología de Vertebrados del AMNH.

Las excavaciones en Hell Creek produjeron enormes cantidades de fósiles, suficientes para llenar vagones enteros de tren. Como era habitual en la época, las cuadrillas de Barnum Brown utilizaban dinamita para retirar grandes cantidades de roca. Todo se movía con caballos y trabajo manual, y rara vez se registraban datos detallados del sitio. Tras casi una década en Montana, Barnum Brown se trasladó a Alberta, Canadá, para explorar el río Red Deer cerca de Drumheller. Allí, durante la década de 1910, Brown y su equipo recorrieron el río en una lancha, deteniéndose en lugares prometedores. En la misma zona trabajaba la famosa familia Sternberg, lo que generó una rivalidad amistosa entre ambos grupos, cuyos descubrimientos quedaron registrados en la historia de la paleontología.

En 1910, el equipo de Barnum Brown descubrió varios pies traseros de un grupo de Albertosaurus en Dry Island Buffalo Jump Provincial Park. Durante décadas, estos fósiles quedaron olvidados en los depósitos del AMNH. En la década de 1990, el paleontólogo Phil Currie, del Museo Royal Tyrrell, localizó el sitio original usando solo una fotografía antigua. Replicó las excavaciones en 1998 y los trabajos continuaron hasta 2005. Tras su traslado a la Universidad de Alberta, un nuevo equipo retomó el sitio en 2006.

En 1923, Barnum Brown viajó con su esposa Lilian a Rangún, en la entonces Birmania. Exploró la arenisca de Pondaung y registró una mandíbula con tres dientes cerca de Mogaung. No reconoció su importancia hasta 14 años después, cuando Edwin H. Colbert identificó el fósil como una nueva especie de primate y el primer antropoide conocido, Amphipithecus mogaungensis. Su estatus sigue siendo debatido debido a la escasez de fósiles.

Barnum Brown fue una figura colorida en una época de descubrimientos sin precedentes. En Canadá solía ser fotografiado con un gran abrigo de piel. Durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial trabajó como agente de inteligencia para la Oficina de Servicios Estratégicos y la Oficina de Guerra Económica. También actuó como espía corporativo para compañías petroleras, especialmente Sinclair Oil, que financió muchas de sus expediciones y adoptó como logotipo un Diplodocus descubierto por él.

El 13 de febrero de 1904 se casó con Marion Raymond, quien lo acompañó en varias expediciones, incluida la de 1905 en Hell Creek, donde Brown descubrió dos especímenes adicionales de Tyrannosaurus rex. Tuvieron una hija, Frances R. Brown, en 1908. Tras la muerte de Marion por escarlatina en 1910, Frances fue criada por sus abuelos maternos y llegó a ser decana en Radcliffe College y Longwood College. En 1987 escribió unas memorias sobre su padre tituladas “Llamémonos Barnum”.

En 1920, Barnum Brown conoció a la socialité Lillian MacLaughlin Brown en Egipto, y se casaron en Calcuta en 1922. Ella escribió tres libros sobre sus expediciones: “I Married a Dinosaur” (1950), “Trailin’ ’Em Back Petrified” (1950) y “Cleopatra Slept Here” (1951).

A principios de febrero de 1963, Barnum Brown cayó en coma y murió el 5 de febrero. Fue enterrado en el cementerio River View en Oxford, Nueva York, ciudad natal de su primera esposa. Su figura ha sido homenajeada en la película IMAX de 1998 “T‑Rex: Back to the Cretaceous”, donde fue interpretado por Laurie Murdoch.