Sono oggetti celesti che possiedono una massa più grande di quella di un pianeta, ma più piccola di 0,08 volte la massa del Sole, corrispondente a 70 masse gioviane e considerata la massa minima perché abbiano luogo le reazioni di fusione nucleare proprie delle stelle. Si formano, esattamente come le stelle, per il collasso gravitazionale di nubi di gas nello spazio.

L'energia che irradiano è dovuta alla loro lenta contrazione e sembrerebbero essere in grado di emettere una debole luce per un centinaio di milioni di anni circa, in conseguenza alla conversione di energia gravitazionale in calore.

Nei primi stadi della loro vita, la maggior parte delle nane brune in effetti genera un po' di energia grazie alla fusione del litio e del deuterio, elementi molto facili da fondere e che sono infatti assenti nelle stelle normali (che li bruciano immediatamente). La presenza del litio è quindi un forte indizio che un oggetto di piccola massa sia una nana bruna.

Le nane brune continuano a brillare nel rosso e soprattutto nell'infrarosso dopo che hanno finito il deuterio. Le atmosfere delle poche nane brune conosciute hanno temperature che variano da 2.300 a 700 °C. Tutte le nane brune si raffreddano nel tempo (non avendo altre fonti di energia) e lo fanno tanto più lentamente quanto maggiore è la loro massa.