Odżywianie thumb|Ośmiornica Octopus macropus często pada ofiarą żarłacza brunatnego Żarłacz brunatny poluje głównie na żyjące przy dnie małe ryby, mięczaki i skorupiaki. Żywi się najczęściej rybami kostnoszkieletowymi, rybami węgorzokształtnymi, drętwokształtnymi, rajokształtnymi i koleniowatymi (Squalus acanthias), żarłaczowatymi (Rhizoprionodon terraenovae), młotowatymi (Sphyrna tiburo), ośmiornicami, kałamarnicami, małżami, krewetkami i krabami (z rodzajów Callinectes, Cancer i Ovalipes). Rekin ten pożywia się przez cały dzień, lecz w nocy staje się bardziej aktywny. Wysoki procent wyłowionych osobników miało pełne żołądki i duże zdrowe wątroby. Na tej podstawie uważa się, że gatunek ten posiada bardzo wydajną strategię pokarmową, pobierając pożywienie dużo regularniej, niż ma to miejsce u innych przedstawicieli Carcharhinus. Młode żarłacze padają niekiedy ofiarą większych rekinów, głównie żarłacza tępogłowego i żarłacza tygrysiego. Zwierzę to – poza krwią – przyciągają dźwięki o niskiej częstotliwości, wydawane przez zagrożoną lub ranną ofiarę, które odbiera za pomocą specjalnych receptorów umieszczonych na spodzie pyska. Atak przebiega błyskawicznie. Z uwagi na małe rozmiary swoich ofiar żarłacz brunatny najczęściej połyka ofiarę w całości.