Стерлинг Келби Браун родился 5 апреля 1976 года в городе Сент-Луис, штат Миссури, США. Там где в возрасте семи лет поступил в престижную Сент-Луисскую Высшую школу. Уже в подростковом возрасте Браун всерьёз задумывался над профессией актёра.

После очередного рядового спектакля в Высшей школе его заметили рекруты из соседней по штату Школы Драматического Искусства. После окончания колледжа Браун сыграл несколько ролей в местном театре. Он получил степень бакалавра в Стэнфордском университете, а затем получил степень магистра изящных искусств в Нью-Йоркском университете.

Его первая по-настоящему серьёзная и драматическая роль была в фильме «Темный сахар» в 2002 году. Он играл простого владельца звукозаписывающей компании, однако роль в этом фильме заставила многих критиков пересмотреть свои взгляды на этого актёра.

Затем последовала не менее удачная роль в фильме «Останься» 2005 года. Здесь он несколько меняет свою направленность и уже снимается в этаком детективном триллере, причём в роли помешанного Генри Лезема. В том же году последовало предложение сняться в «Сверхъестественном», после чего Браун появился в сериале только в 3-м сезоне.

Однако на этом карьера его только начиналась. В 2008 году у него было два проекта: «Право на убийство» и «Элай Стоун». Если второй проект оказался неудачным и незаконченным, так как низкие рейтинги заставили закрыть проект, то в «Праве на убийство» Браун сыграл одну из главных ролей.

В телесериале «Сверхъестественное» Браун исполнил роль охотника на вампиров Гордона Уокера. В сериале «Армейские жёны» у него была регулярная роль доктора Роланда Бертона, которую он играл на протяжении семи сезонов шоу. В 2012-2013 годах Браун играл второстепенную роль детектива Кэла Бичера в телесериале «В поле зрения».

В 2014 году Браун сыграл во вдохновлённой «Одиссеей» пьесе Сьюзан-Лори Паркс «Отец возвращается домой с войны» в Публичном театре. В 2016 году он получил «Эмми» за лучшую мужскую роль второго плана, сыграв Кристофера Дардена в первом сезоне «Американской истории преступлений».

В 2007 году Браун женился на актрисе Райан Мишель Бат, с которой встречался со Стэнфордского университета. В 2012 году у них родился первенец, а позже ещё один ребёнок.