Brunrör har sin naturliga hemvist i barrskogens fuktsvackor och i näringsfattiga sumpskogar med gran, vide och glasbjörk. Men det finns också i höljor längs skogsbäckar och åar och i blöta myrkanter liksom i kanten av växelblöta skogskärr. Det växer ofta surare och näringsfattigare än grenrör C. canescens och ersätter vanligen detta på försumpade, snåriga stränder vid skogstjärnar och skogssjöar. På hyggen kan det ibland expandera. Det går gärna ut i vägdiken och står då ofta skuggigt, t.ex. i nordvända vägkanter. I solöppna lägen blommar brunröret rikligt och på sensommaren kan man se täta bestånd längs skogsbilvägarna. I skogsbygdens odlingar står det ofta ruggar av grovt brunrör på sumpiga, övergivna marker och i gamla dräneringsdiken.