
Selama musim pertamanya dengan Steelers, tim maju ke Super Bowl XLV , tetapi kalah dari Green Bay Packers . Dia menyelesaikan musim rookie-nya dengan 16 resepsi untuk 167 yard dalam sepuluh pertandingan. Selama musim keduanya, Brown menjadi pemain pertama dalam sejarah NFL yang memiliki lebih dari 1.000 yard menerima dan kembali pada tahun yang sama. Untuk upayanya, Brown terpilih sebagai punt returner untuk Pro Bowl 2012. Pada 2013, Brown menjadi satu-satunya penerima dalam sejarah NFL yang merekam lima resepsi dan setidaknya 50 yard di setiap pertandingan di musim NFL.
Meskipun produktivitasnya di lapangan terus berlanjut selama beberapa musim berikutnya, termasuk memimpin liga dalam menerima yard pada 2014 dan 2017, hubungan Brown dengan Steelers, terutama dengan quarterback Ben Roethlisberger, memburuk dan pada 2019 ia meminta perdagangan. Dia akhirnya ditangani oleh Oakland Raiders, yang kemudian menjadikannya penerima bayaran tertinggi di liga. Namun, waktunya di Oakland berumur pendek, dan setelah beberapa insiden di luar lapangan, termasuk konfrontasi dengan manajer umum Mike Mayock, tim melepaskan Brown tanpa dia pernah memainkan permainan musim reguler. Dia menandatangani dengan Patriots kemudian pada hari yang sama.