Les freins transforment l'énergie cinétique en chaleur. C'est le principe même. Une voiture en mouvement possède de l'énergie cinétique, et l'arrêter revient à dissiper cette énergie. Les freins à friction pressent une plaquette fixe contre un disque ou un tambour rotatif. La friction convertit l'énergie cinétique en chaleur, qui se dissipe dans l'air. Les freins électromagnétiques, utilisés sur certains véhicules hybrides et électriques, exploitent les champs magnétiques pour ralentir la voiture et récupérer l'énergie sous forme d'électricité.

La plupart des voitures sont équipées de freins à disque à l'avant et de freins à disque ou à tambour à l'arrière. Un frein à disque comprend un disque, un étrier et deux plaquettes. La pression hydraulique actionne les pistons de l'étrier, qui serrent les plaquettes contre le disque. Un frein à tambour est constitué de segments qui s'appuient contre la paroi intérieure d'un tambour en rotation. Les freins à disque offrent un meilleur refroidissement et un freinage plus constant. Les freins à tambour sont moins chers et peuvent être plus efficaces à basse vitesse.

L'efficacité du freinage dépend de la gestion de la chaleur. Un freinage d'urgence peut faire monter la température d'un disque de frein jusqu'à 500 degrés Celsius. Des freinages brusques et répétés peuvent entraîner une perte d'efficacité des freins due à la surchauffe. Les voitures performantes utilisent des disques ventilés ou percés et des plaquettes haute température pour limiter ce phénomène. Le freinage régénératif des véhicules électriques réduit l'usure des freins à friction en utilisant le moteur pour ralentir la voiture.

Le liquide de frein est également important. Hygroscopique, il absorbe l'humidité de l'air. À terme, cette humidité abaisse son point d'ébullition et peut entraîner une défaillance des freins. La plupart des constructeurs recommandent une purge du liquide tous les deux ou trois ans.