分布于中国内蒙古（东部赤峰、西部阿拉善盟）、辽宁（沈阳、鞍山）、陕西（秦岭山区）、北京、山西、甘肃（西北部和西南部）、青海（玉树）、贵州（西北部赤水、南部榕江）、四川（西部康定、北部松潘、西南部木里）、云南（西部腾冲、西北部丽江）、西藏（昌都地区北部和东南部）、湖北（西部）、青海（繁殖鸟）、越冬于云南南部；冬季见于缅甸、泰国和老挝。

棕眉柳莺雌雄羽色相似。上体橄榄褐色、有的微沾灰色，额羽松散沾棕，腰沾绿黄色，两翅和尾黑褐色或暗褐色，翅上无翼斑，外翈羽缘较淡为棕褐色或橄榄褐色，因而使两翅和尾表面与背同色。眉毛棕白色、长而显著，贯眼纹暗褐色自眼先经眼向后一直延伸到耳覆羽上缘，颊和耳覆羽棕褐色，颈侧黄褐色，下体绿白色具细的黄色纵纹，两胁稍沾橄榄褐色，两胁和尾下覆羽皮黄色。 虹膜褐色或暗褐色，下嘴较淡，基部黄褐色，脚灰褐色或铅褐色。 大小量度：体重♂9-12克，♀9-11克；体长♂118-136毫米，♀112-130毫米；嘴峰♂7-11毫米，♀9-11毫米；翅♂54-65毫米，♀56-59毫米；尾♂51-58毫米，♀48-55毫米；跗蹠♂20-25毫米，♀20-22毫米。（注：♂雄性；♀雌性） 共有2个亚种。指名亚种上体较绿橄榄褐色；西南亚种与指名亚种相比较，上体羽色较深，呈暗橄榄褐色；下体黄色纵纹不显。

在中国北部多为夏候鸟，南部部分留鸟、部分夏候鸟和冬候鸟。每年的多在4月末5月初迁来繁殖地，9月末10月初开始南迁。 常单独或成对活动，有时也集成松散的小群在灌木和树枝间跳跃觅食。主要以毛虫、蚱蜢等鞘翅目、鳞翅目、直翅目等昆虫和昆虫的幼虫为食，也吃蝗虫、甲虫、蜘蛛等其他无脊椎动物性食物。 叫声独特，为高尖的"zic-zic-zic…”声。鸣声似巨嘴柳莺的"tyeee-tyeee-tyeee…”声，但较弱。2002、2005、2007年5-8月，在甘肃莲花山、宁夏贺兰山和内蒙阿拉善贺兰山等自然保护区对棕眉柳莺的鸣唱进行了采集，共录到18只108秒的鸣声。通过声谱分析，棕眉柳莺鸣唱的频率范围在2.63-6.32kHz之间；音素数平均为5.56±2.47（H=124）；持续时间为（1.07±0.30）s（n=124），最长可达2.68分钟。棕眉柳莺鸣唱音节之间的间隔时间差异较大，范围在2-18分之间；从18只个体共589个音节中总结出61种音节类型。 其中37种为共享音节，24种为特有音节，分别占总数的60.7%和39.3%。不同棕眉柳莺个体的呜唱音节类型组成不同，没有任何两只棕眉柳莺个体的音节曲目完全一致。 莲花山和内蒙贺兰山两个地区内个体之间的音节相似性系数存在显著差异（P=0.001）。通过对棕眉柳莺呜唱的地理变异分析，发现越是邻近分布的个体其鸣唱也越相似。