Lors des Jeux olympiques à Athènes, Mike Brown atteint la finale et termine sixième du 200 m à un peu plus d'une seconde du podium, ce malgré un nouveau record national (2 min 11 s 94). En 2005, les Championnats du monde se déroulent pour la première fois au Canada, à Montréal. Le nageur originaire de l'Ontario y remporte sa première distinction lors d'un événement planétaire en prenant la deuxième place lors de la finale du 200 m brasse. Il termine alors derrière l'Américain Brendan Hansen. L'année suivante, il confirme cette performance en gagnant un premier titre international sur 200 m lors des Jeux du Commonwealth disputés à Melbourne. Il s'impose à cette occasion d'un centième de seconde sur l'Australien Brenton Rickard. En retrait en 2007 notamment lors des Mondiaux, il retrouve son meilleur niveau en 2008 en améliorant ses records personnels à l'occasion des sélections olympiques canadiennes. Lors des Jeux olympiques de Pékin, il manque de peu le podium du 200 m brasse. En effet, à la lutte avec l'Australien Rickard et le Français Hugues Duboscq, et alors que le Japonais Kosuke Kitajima remporte facilement l'or, Mike Brown échoue à 9 centièmes de seconde de la médaille de bronze et 15 centièmes de l'argent Lors de cette finale, il réalise un temps inférieur à son record national réalisé la veille lors de la demi-finale qu'il avait remporté en 2 min 08 s 84. Après les Jeux, ce temps constitue la quatrième meilleure performance de l'histoire.