Brachiosaurus avait une tête épaisse en forme de dôme, avec un museau large et plat. Mais comparée à son corps, elle était minuscule. Ses mâchoires étaient caractérisée par des dents en forme de pieu. Il possédait des naseaux situés au sommet de sa tête, ce qui a longtemps fait penser aux paléontologues que Brachiosaurus vivait la plupart de son temps sous l'eau. On sait aujourd'hui que la pression de la grande profondeur d'eau nécessaire à immerger ce dinosaure aurait rendu sa respiration impossible. On pense aussi qu'il est possible que ses ouvertures nasales avaient une fonction de régulation thermique: ces ouvertures auraient pu être tapissées de peau humide, qui aurait pu aider à rafraîchir le cerveau du Brachiosaurus en cas de climat trop chaud.
Le cou du Brachiosaurus est extrêmement long; il mesurait environ la moitié de sa hauteur. Il ne possède pas plus de vertèbres que les autres sauropodes, mais ces dernières étaient cependant 3 fois plus longues que ses vertèbres dorsales.
Le Brachiosaurus était un des plus grands dinosaures du Jurassique. Il a vécu dans des paysages dominés par des prairies remplies de fougères, de bennettitales et d'équisetum, et il se déplaçait à travers de vastes forêts de conifères et de bosquets de cycas, de ptéridospermatophytes et de ginkgos. Parmi ses contemporains, on peut citer le Stégosaurus (un grand quadrupède possédant de grandes plaques dorsales), le Dryosaurus (un agile petit herbivore), l'Apatosaurus (un sauropode) et le Diplodocus (l'un des plus longs dinosaures connus).