Der Braune Bach entsteht in der nordöstlichen Flurbucht der Rodungsinsel um Bühlerzell-Kammerstatt knapp 1 km vom Weiler entfernt am Rand des Waldes auf dem Sauerberg zum Flurgewann Schälbühl auf etwa 490 m ü. NN. Der Bach läuft zunächst westlich durch eine weite, sich nur langsam eintiefende Mulde, meist in der Flur nahe zum Waldrand im Norden. Nachdem er sich vom Wald etwas gelöst hat, setzt eine Baumgalerie um ihn ein. Er gräbt sich nun eine Klinge, in der sich ausweitender Wald ihn begleitet. Er wendet sich leicht auf Westnordwestlauf und passiert ein kleines Wasserwerk. Von links und dann von rechts aus dem Rappensturz laufen ihm kleine Klingenrisse zu, nach dem letzten setzt rechts unter dem ersten Haus des Weilers Holenstein am Hang offene Talflur ein. Er passiert einen am rechten Ufer liegenden kleinen Fischteich und tritt dann ins Weichbild Holensteins ein, wo ihm an der Kapelle sein einziger bedeutender Zufluss Reutebach vom Frühmessholz herunter von links zumündet. Der Ort verlässt er im Lauf neben der nach Kottspiel führenden K 2626. Vor dem rechts nun abfallenden Sporn des Ulrichsbergs wechselt er die Straßenseite, passiert einen Weiher, tritt dort für seine letzten hundert Meter aufs Gebiet der Gemeinde Bühlertann über und fließt dann, zuletzt wieder in westlicher Richtung, auf etwa 396 m ü. NN mit dem aus dem Sauerbachwald im Nordosten kommenden Sauerbach zum linken namentlichen Oberlaufast des Avenbachs zusammen. Der rechte Oberlaufast des Avenbachs entwässert etwas weiter aufwärts einen See, der auch schon vom Sauerbach gespeist wird. Die Vorfluter-Äste fließen weniger als 200 Meter weiter an der Avenmühle zusammen. Der Braune Bach endet nach einem 2,9 km langen Lauf etwa 94 Höhenmeter unterhalb seines Ursprungs, sein mittleres Sohlgefälle liegt mithin bei etwa 32 ‰. Er entwässert ein Gebiet von etwa 2,2 km² Größe, das im Nordwesten des Unter-Naturraums Ellwanger Berge der Schwäbisch-Fränkischen Waldberge liegt. Hier stehen Gesteine des Mittelkeupers an, vom Stubensandstein (Löwenstein-Formation) bis hinunter zum Gipskeuper (Grabfeld-Formation). Der Bach entspringt im Übergangsbereich zwischen dem Stubensandstein zu den unterlagernden Oberen Bunten Mergel (Mainhardt-Formation), einer tonhaltigen Stauschicht, aus der er bald in den Kieselsandstein (Hassberge-Formation) überwechselt. Diesem folgen nahe dem Wasserwerk in seiner kleinen Waldschlucht die etwas breitere Zone der Unteren Bunten Mergel (Steigerwald-Formation), worauf er ab etwa dem Ortsanfang von Holenstein auf Schilfsandstein (Stuttgart-Formation) läuft. Erst kurz vor der Mündung in der Aue des Sauerbachs/Avenbachs erreicht er nach diesem den Gipskeuper. Die größte Höhe von fast 505 m ü. NN erreicht das Gelände an der Ostspitze im Wald auf dem Sauerberg. Von dort zieht die rechte und nördliche Wasserscheide westwärts über den Sporn Ulrichsberg zur Mündung, jenseits entwässern anfangs dessen linker Zufluss Sauerbergbach und dann der Sauerbach selbst die andere Kammseite. Am Sauerberg gibt es einen kurzen Grenzabschnitt zur Wolfsklinge, die etwa in Gegenrichtung zur Blinden Rot im Osten läuft. Die linke Wasserscheide folgt vom Straßenknick im südlichen Sauerberg zunächst der Kammstraßenachse nach Kammerstatt (L 2628) und noch ein Stück weiter in Richtung Bühlerzell (L 2627); außerhalb konkurriert hier der Gruppenbach zur oberen Bühler. Von Kamm und Straße knickt die linke Einzugsgebietsgrenze dann ungefähr oberhalb der Reutebach-Quellen nach Nordwesten ab und zieht über den Anzenbach in Richtung des Zusammenflusses mit dem Sauerbach; auf diesem Abschnitt konkurriert außerhalb der einzige nennenswerte untere Zufluss Sperberklingenbach des ebenfalls zur Bühler laufenden Avenbachs. Im Gebiet gibt es etwas mehr offene Flur als Wald. Einziger Ort am Ufer ist Holenstein am Mittellauf. Ein kleiner Teil von Kammerstatt liegt ebenfalls diesseits der Wasserscheide im Süden. Beide Weiler gehören zur Gemeinde Bühlerzell, ebenso fast die gesamte Fläche, ausgenommen nur einen mündungsnahen Streifen im Westen auf Bühlertanner Gemarkung. Der Braune Bach fließt ab dem Einsetzen seiner Begleitgalerie naturnah bis an die Ortsgrenze von Holenstein. Nach dem Weiler säumen wieder Bäume seinen leicht mäandrierenden Lauf bis zum Wechsel der Straßenseite wenig vor der Mündung. Das östliche Drittel des Einzugsgebietes ist Wasserschutzgebiet.
