Wielkość niedźwiedzia brunatnego, najczęściej mierzona masą ciała, jest wysoce zmienna i skorelowana z zakresem dostępu do pożywienia. Dlatego też niedźwiedzie, których tereny występowania obejmują obszary z dostępem do otwartych przestrzeni, osłon, wilgoci lub wody są średnio większe, podczas gdy niedźwiedzie, których tereny występowania obejmują zamknięte obszary leśne lub jałowe, słabo porośnięte regiony, z których oba stanowią nieoptymalne siedliska żerowania dla niedźwiedzi brunatnych, są średnio mniejsze. Niedźwiedź brunatny w północnej Europie (tj. w Skandynawii, Europie Wschodniej, zachodniej Rosji), w Parku Narodowym Yellowstone lub w głębi Alaski sezonowo waży średnio od 115 do 360 kg (254 do 794 lb), od średniej niskiej wagi dorosłej samicy wiosną do średniej wysokiej wagi samca jesienią. Niedźwiedzie brunatne z delty Jukonu, wewnętrznej części Kolumbii Brytyjskiej, Parku Narodowego Jasper i południowej Europy (np. Hiszpanii, Bałkanów) mogą ważyć średnio od 55 do 175 kg. Te różnice w masie reprezentują tylko dwa szeroko rozpowszechnione podgatunki, niedźwiedź grizzly w Ameryce Północnej i euroazjatycki niedźwiedź brunatny w Europie. Ze względu na brak zmienności genetycznej w obrębie podgatunków, warunki środowiskowe na danym obszarze prawdopodobnie odgrywają największą rolę w takich wahaniach masy ciała.
Grizzly jest szczególnie zmienny pod względem wielkości, ponieważ grizzli z największych populacji, tj. wewnętrznej Alaski, z najcięższymi masami odnotowanymi w Nelchina, Alaska, prawie trzy razy cięższe u samców niż najmniejsze grizzli z Alberty, Kanada Jasper National Park. Między płciami, grizzlies z Nelchina ważą średnio około 207 kg (456 lb), podczas gdy grizzlies z Jasper ważą średnio około 74 kg (163 lb). Zamknięte siedliska tajgi w Jasper prawdopodobnie nie są optymalnym środowiskiem żerowania dla grizzli, wymagając od nich szerokiego zasięgu i skąpego pożywienia, co zmniejsza masę ciała i naraża niedźwiedzie na ryzyko śmierci głodowej, podczas gdy na powierzchniach w tundrze i prerii są najwyraźniej idealne do żerowania. Nawet w innych częściach Alberty odnotowano wagę ponad dwukrotnie większą niż u grizzli z Jasper. Stopniowe zmniejszanie się rozmiarów ciała odnotowuje się u niedźwiedzi grizzly ze strefy subarktycznej, od Brooks Range do Gór Mackenzie, prawdopodobnie dlatego, że w takich regionach pożywienie staje się znacznie rzadsze, choć być może najbardziej na północ wysuniętym niedźwiedziem grizzly, jaki kiedykolwiek odnotowano, na Terytoriach Północno-Zachodnich, był duży i zdrowy samiec ważący 320 kg (710 lb), ponad dwukrotnie więcej niż przeciętny samiec ważący w pobliżu koła podbiegunowego. Dane z Eurazji podobnie wskazują na zmniejszoną masę ciała u subarktycznych niedźwiedzi brunatnych, na podstawie wagi niedźwiedzi z północnej Finlandii i Jakucji.
Długość głowy i ciała u niedźwiedzi grizzly wynosi średnio od 1,8 do 2,13 m (5 ft 11 in do 7 ft 0 in), podczas gdy u euroazjatyckich niedźwiedzi brunatnych podobnie wynosi średnio od 1,7 do 2,1 m (5 ft 7 in do 6 ft 11 in). Wysokość dorosłych barków wynosiła średnio 95,2 cm (3 ft 1 in) w Yellowstone (dla wszystkich niedźwiedzi w wieku 5 lub więcej lat) i średnio 98,5 cm (3 ft 3 in) (dla dorosłych w wieku 10 lub więcej lat) na Słowacji. Stojąc na tylnych kończynach, co zdarza się sporadycznie, typowe niedźwiedzie brunatne mogą osiągać od 1,83 do 2,75 m wysokości w pozycji stojącej. Wyjątkowo duże osobniki śródlądowe odnotowano w kilku częściach Ameryki Północnej, Europy, Rosji, a nawet na Hokkaido. Największe odnotowane grizzli z Yellowstone i stanu Waszyngton ważyły około 500 kg (1,100 lb), a wschodnioeuropejskie niedźwiedzie były ważone na Słowacji i w Bułgarii do 400 kg (880 lb), około dwa razy więcej niż średnia waga samca niedźwiedzia w tych regionach. Wśród podgatunków niedźwiedzia grizzly i niedźwiedzia brunatnego, największy z nich ważył odpowiednio 680 kg (1500 funtów) i 481 kg (160 funtów). Ten ostatni niedźwiedź, z zachodniej Rosji, mierzył podobno nieco poniżej 2,5 m (8 stóp 2 cali) długości głowy i ciała.
W Eurazji wielkość niedźwiedzi wzrasta z zachodu na wschód, a największe z nich pochodzą ze wschodniej Rosji. Nawet w podgatunku nominatywnym, rozmiar wzrasta w granicach wschodnich, z dojrzałymi samcami niedźwiedzi w obwodzie Archangielskim i Baszkortostanie powszechnie przekraczających 300 kg (660 lb). Inne niedźwiedzie o średniej wielkości mogą występować w śródlądowych populacjach Rosji. Podobnie jak w przypadku niedźwiedzia grizzly i niedźwiedzia brunatnego euroazjatyckiego, populacje niedźwiedzia brunatnego ussuryjskiego (U. a. lasiotus) i niedźwiedzia brunatnego wschodniosyberyjskiego (U. a. collaris) mogą znacznie różnić się wielkością. W niektórych przypadkach duże dorosłe samce z tych populacji mogą dorównywać rozmiarami niedźwiedziowi z Kodiak. Wschodniosyberyjskie niedźwiedzie brunatne spoza subarktyki i niedźwiedzie brunatne z kontynentu Ussuri osiągają średnio takie same rozmiary jak największe populacje niedźwiedzi grizzly, tj. te z podobnej szerokości geograficznej na Alasce, i przypisuje się im wagę od 100 do 400 kg (220 do 880 lb) w ciągu całego sezonu. Z drugiej strony, niedźwiedzie brunatne Ussuri występujące w wyspiarskiej populacji na Hokkaido są zazwyczaj dość małe, ważąc zazwyczaj mniej niż 150 kg (330 lb), czyli dokładnie połowę wagi podawanej dla samców niedźwiedzi brunatnych Ussuri z Kraju Chabarowskiego. Wynika to prawdopodobnie z zamkniętego siedliska lasów mieszanych na Hokkaido. Podobne zmniejszenie rozmiarów odnotowano u wschodniosyberyjskich niedźwiedzi brunatnych z Jakucji, gdzie nawet dorosłe samce ważą średnio około 145 kg (320 lb), a więc około 40% mniej niż średnia waga samców tego podtypu z centralnej Syberii i Półwyspu Czukczi.
W pomiarach liniowych i średniej masie ciała, kilka podgatunków może walczyć o miano najmniejszego podtypu, choć jak dotąd ich podawane masy ciała w dużym stopniu pokrywają się z masami mniej masywnych populacji euroazjatyckich niedźwiedzi brunatnych i grizzly. Leopold (1959) opisał wymarłego już meksykańskiego niedźwiedzia grizzly, który według Rauscha (1963) był najmniejszym podtypem niedźwiedzia grizzly w Ameryce Północnej, choć dokładne parametry jego ciała nie są dziś znane. Niedźwiedzie z podgatunku syryjskiego (U. a. syriacus) ważą podobno około 100-160 kg (220-350 lb) w wieku dorosłym. Himalajski niedźwiedź brunatny (U. a. isabellinus) to kolejny konkurent do miana najmniejszego podgatunku; w Pakistanie ten podgatunek osiąga średnio około 70 kg (150 lb) u samic i 135 kg (298 lb) u samców. Samice himalajskiego niedźwiedzia brunatnego charakteryzują się średnią długością głowy i tułowia wynoszącą zaledwie 1,4 m. Niedźwiedzie brunatne ze zwartej populacji na pustyni Gobi, która w ostatnich dziesięcioleciach nie jest zwykle wymieniana jako odrębny podgatunek, ważą od 90 do 138 kg (198 do 304 lb) w zależności od płci, są więc podobne wagowo do niedźwiedzi z Himalajów, a nawet cięższe od grizzli z Parku Narodowego Jasper. Jednakże, według doniesień, niedźwiedź z Gobi mierzy zaledwie 1 m (3 ft 3 in) długości głowy i ciała, co, jeśli jest to zgodne z prawdą, czyni go najmniejszym znanym niedźwiedziem brunatnym o wymiarach liniowych. Te najmniejsze podtypy niedźwiedzi brunatnych są charakterystycznie spotykane w siedliskach typu „ziemia-beczułka”, tj. na terenach pod-pustynnych u niedźwiedzi z podgatunku syryjskiego i podtypu Gobi oraz na jałowych łąkach alpejskich u himalajskich niedźwiedzi brunatnych.
Największymi podgatunkami są niedźwiedź Kodiak (U. a. middendorffi) i wątpliwie odrębny półwyspowy niedźwiedź olbrzymi lub nadmorski niedźwiedź brunatny (U. a. gyas). Również wymarły kalifornijski niedźwiedź grizzly (U. a. californicus) był dość duży. Po osiągnięciu dojrzałości typowa samica niedźwiedzia Kodiak może osiągnąć masę ciała od 120 do 318 kg (265 do 701 lb), a od osiągnięcia dojrzałości płciowej samce osiągają masę od 168 do 675 kg (370 do 1488 lb). Według Księgi Rekordów Guinnessa przeciętny samiec niedźwiedzia Kodiak mierzy 2,44 m długości całkowitej (od głowy do ogona), a jego wysokość w ramionach wynosi 1,33 m (4 stopy 4 cale). Po uśrednieniu wiosennej niskiej i jesiennej wysokiej wagi z obu miejsc, samce z wyspy Kodiak i wybrzeża Alaski ważyły od 312 do 389 kg (688 do 858 lb) przy średniej masie ciała 357 kg (787 lb), podczas gdy te same wartości u samic wynosiły od 202 do 256 kg (445 do 564 lb) przy średniej masie ciała 224 kg (494 lb). Do czasu osiągnięcia lub przekroczenia wieku 8-9 lat samce niedźwiedzia Kodiak są zwykle znacznie większe niż świeżo dojrzałe sześcioletnie samce, potencjalnie trzykrotnie zwiększając swoją średnią masę ciała w ciągu trzech lat, i można oczekiwać, że osiągną średnio 360-545 kg (794-1,202 lb). Podane średnie masy ciała dorosłych osobników obu płci niedźwiedzia polarnego są bardzo podobne do masy ciała niedźwiedzia olbrzymiego z Półwyspu Apenińskiego i niedźwiedzia Kodiak. Ze względu na odpowiadające im rozmiary ciała, oba podtypy i gatunek mogą być słusznie uważane za największych żyjących przedstawicieli rodziny niedźwiedziowatych Ursidae i największych żyjących mięsożerców lądowych. Największym powszechnie akceptowanym rozmiarem dzikiego niedźwiedzia Kodiak, jak również niedźwiedzia brunatnego, był niedźwiedź zabity w English Bay na wyspie Kodiak jesienią 1894 roku. Dokonano kilku pomiarów tego niedźwiedzia, w tym masy ciała 751 kg (1,656 lb), a tylna łapa i czaszka zostały zbadane i zweryfikowane przez Księgę Rekordów Guinnessa. Twierdzenia o większych niedźwiedziach brunatnych zostały poczynione, ale wydają się być słabo udokumentowane i niezweryfikowane, a niektóre z nich, nawet jeśli są przytaczane przez renomowanych autorów, mogą być wątpliwymi twierdzeniami myśliwych.
Największą odmianą niedźwiedzia brunatnego z Eurazji jest niedźwiedź brunatny kamczacki (U. a. beringianus). W przypadku kamczackich niedźwiedzi brunatnych z ostatnich dziesięcioleci wiadomo, że stare samce osiągają masę ciała 500-685 kg, co plasuje ten podtyp w granicach rozmiarów niedźwiedzia Kodiak i sprawia, że jest on uważany za największy z istniejących rosyjskich podtypów. Odnotowano jednak zmniejszenie rozmiarów ciała U. a. berigianus, prawdopodobnie w związku z nadmiernymi polowaniami. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku większość dorosłych kamczackich niedźwiedzi brunatnych ważyła zaledwie od 150 do 285 kg (331 do 628 lb), jednak w 2005 roku średnia waga dojrzałych samców niedźwiedzi wynosiła średnio od 350 do 450 kg (770 do 990 lb).
.