Malgré son nom, la grande chauve-souris brune est de taille moyenne. Elle mesure environ 13 cm (5 po) de longueur et son envergure est de 30 à 33 cm (de 12 à 13 po). Sa fourrure douce est brune et plutôt huileuse. Les membranes de ses ailes et de sa queue sont presque noires et d'une texture semblable à celle du cuir. Dépourvue de poils, la peau qui recouvre les oreilles et le museau tire elle aussi sur le noir.

Cette espèce s'est bien adaptée à la civilisation. Il est courant d’observer des chauves-souris au crépuscule, volant le long des rues aux réverbères allumés, en quête d'insectes attirés par la lumière. En été, elles cherchent souvent refuge derrière les planches disjointes, sous les gouttières ou les bardeaux, dans les greniers, les clochers, etc. Beaucoup passent l'hiver dans des cavernes ou dans des puits de mines, suspendues en rangs serrés pouvant regrouper jusqu’à 200 individus. Comme les grandes chauves-souris brunes hibernent aussi dans les murs de nos maisons et dans les égouts, c’est généralement la première espèce que l’on voit au printemps.

La plus vieille chauve-souris brune connue était un mâle de 19 ans. C’est un âge très avancé pour un si petit mammifère. Une souris de taille comparable serait considérée comme vieille à deux ans. Les chauves-souris ont peu d’ennemis naturels.