Arctic Monkeys vann både bästa gruppen och bästa skivan för tredje gången.
Ellie Goulding vann bästa brittiska kvinna, medan pop akt One Direction hedrades för sin globala framgång för andra året i rad.
Kate Moss samlade Bowies pris och läste ett tal för hans räkning där han uppmanade skotska väljare att förkasta självständigheten.
"Jag är helt glad att ha en britt för att vara den bästa mannen - men det är jag, eller hur Kate? Ja, det är det. Jag tycker att det är ett bra sätt att avsluta dagen. Tack så mycket, och Skottland stanna hos oss, "var hans ord - som levererats av Moss.
Övernattning siffror visar i genomsnitt 4,2 miljoner tittare såg ceremonin live på ITV - den lägsta publiken sedan åtminstone 1999.
Förra årets show visades av 6,5 miljoner tittare.
En riktning vann också bästa brittiska video, i en offentlig omröstning.
Deras seger, för spåret Bästa Song någonsin, fick hjälp av deras 17,8 miljoner-starka Twitter anhängare.
Av Mark SavageBBC News underhållningsreporter
Med det hedervärda undantaget av David Bowie, vad som är anmärkningsvärt med årets Brit Awards är ren ungdomlighet av vinnarna.
Nästan alla på podiet var i 20-årsåldern, med Nya Zeeland goth-pop sångare Lorde bara 17 (hon band med Joss Stone som den yngsta någonsin Brit segrare).
Och det är positivt. Britterna måste representera den kraftfulla pop- och dansscenen, eftersom nästan alla andra ceremonier nästan uteslutande belönar medelålders män.
Men i slutändan var det den generationsöverskridande dragningskraften hos återuppväckta rockrebeller Arctic Monkeys som stal showen.
Deras comeback började med en rubrik i Glastonbury förra året och kulminerade i kvällens historiska tredje "dubbelvinst". Men som frontman Alex Turner ödmjukt noterade bakom scenen: "Jag tror inte talangen hos en grupp musiker är direkt proportionell mot storleken på deras troféskåp."
Ceremonin på O2 Arena innehöll också en mängd föreställningar, bland annat från Beyonce och Katy Perry, som satte på en färgstark, egyptisk-tema show.
Men Perry förlorade till Nya Zeelander Lorde i loppet för bästa internationella kvinna.
Bruno Mars gav också en liveföreställning, strax efter att ha plockat upp priset för bästa internationella hane.
Bowies pris kom på bekostnad av fyra mycket yngre hoppfulla - Jake Bugg, Tom Odell, John Newman och Mercury-pristagaren James Blake.
Vid 67 års ålder är han den äldsta mottagaren av en Brit Award i ceremonins historia och priset kommer 18 år sedan hans senaste Brits framgång.
Sångaren, som släppte sin The Next Day-platta efter ett 10-årigt uppehåll, vann tidigare bästa brittiska hane 1984.
Men stjärnan, som tillbringar mycket av sin tid i New York, var inte med i galan.
Noel Gallagher, som tillkännagav utmärkelsen, sade: " Ni galningar trodde inte att han verkligen skulle vara här? David Bowie är för cool för det."
Ceremonin avslutades med en medley av Pharrell Williams och Nile Rodgers, som spelade Daft Punk's Get Lucky, Chic's Good Times och Williams nuvarande feelgood diagram slog Happy.
Goulding lyfte kvällens första pris och sa att hon var "äkta i chock" och "skakade".
"Detta betyder så mycket för mig, jag kan inte ens berätta", tillade musikern.
Hennes pris, som delas ut av sångerskan Prince, kommer fyra år efter att hon utsågs till Critics' Choice, ett pris som Sam Smith vann i år.
Arctic Monkeys upprepade sin bästa grupp triumf 2007 och 2008, och frontman Alex Turner skämtade om att de hade satsat pengar på rivaler One Direction för att vinna.
Turner talade bakom scenen och sade om deras triumf: " Det känns underbart. Det är underbart att få det erkännandet en kväll som firar brittisk musik.
"[Men] hur underbart det än är att bli nominerad till något man skapar, så tror jag inte nödvändigtvis att talangen hos en grupp musiker står i direkt proportion till storleken på deras troféskåp."
"För oss tror jag att varje seger kommer närmare föreställningen om skivan eller låten i första hand", tillade han.
Medan One Direction tog två priser, förnekades de en tredjedel av dansgruppen Rudimental, som vann bästa brittiska singeln för den första träffen Waiting All Night.
Från en koppling av tre nomineringar utsågs Bastille till bästa brittiska genombrottslag, medan fransk dansakt Daft Punk tog bästa internationella grupp.
För tredje och sista gången ledde komikern och skådespelaren James Corden ceremonin.
Rocklegenden David Bowie har utsetts till bästa brittisk man på Brit Awards i London, även om han inte var där personligen för att få sin utmärkelse.