Analiza filogenetyczna na podstawie danych allozymowych, opublikowanych przez Gavina Naylora w 1992 roku, wskazuje, że żarłacz brunatny jest taksonem siostrzanym z C. altimus i tworzy razem z nim wspólny klad.
Analiza mitochondrialnego locus NADH-2 przeprowadzona przez Naylora i współautorów w 2012, wykazała odrębność gatunkową dla populacji zamieszkujących Atlantyk i Indopacyfik. Biorąc pod uwagę osiągnięte wyniki oraz fakt, że osobnik typowy dla gatunku C. plumbeus pochodzi z Morza Adriatyckiego, badacze zaproponowali pozostawienie epitetu C. plumbeus dla populacji atlantyckiej oraz tymczasową nazwę C. cf. plumbeus dla populacji indopacyficznej. Co więcej, uznano, że jeżeli późniejsze badania potwierdzą ważność i odrębność obu gatunków, konieczne może być wskrzeszenie C. japonicus (Temminck i Schlegal, 1850).
Występowanie i środowisko thumb|left|Zdjęcie żarłacza brunatnego w naturalnym środowisku Żarłacz brunatny występuje w tropikalnych i umiarkowanych wodach całego świata. Jest najczęściej występującym gatunkiem dużego rekina w wodach zachodniego Atlantyku, gdzie spotkać go można od Nowej Fundlandii poprzez Zatokę Meksykańską i Morze Karaibskie po północne krańce Wenezueli i dalej na południu wzdłuż wybrzeży wschodniej Brazylii i Urugwaju.