Un frein à disque immobilise une voiture en comprimant un disque en rotation. Ce disque, appelé rotor, tourne avec la roue. Un étrier, placé de part et d'autre du rotor, maintient deux plaquettes de frein. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale, la pression hydraulique pousse les pistons de l'étrier, et les plaquettes se plaquent contre le rotor. Le frottement ralentit la roue, et la voiture s'arrête.

Les freins à disque présentent des avantages par rapport aux freins à tambour. Ils dissipent mieux la chaleur et résistent donc mieux à l'échauffement lors de freinages brusques et répétés. Leur entretien est plus simple car les plaquettes peuvent être remplacées sans démonter le moyeu de la roue. De plus, ils s'ajustent automatiquement à mesure que les plaquettes s'usent. C'est pourquoi la plupart des voitures modernes sont équipées de freins à disque sur les quatre roues, même si certaines voitures économiques conservent des freins à tambour à l'arrière.

Le disque de frein peut être plein ou ventilé. Un disque ventilé possède des ailettes internes qui aspirent l'air, le refroidissant plus rapidement. Les voitures de sport utilisent des disques percés ou rainurés pour évacuer la chaleur et les gaz. Les plaquettes de frein ont également leur importance. Différents composés de plaquettes offrent des compromis en termes de bruit, de poussière, d'usure et de puissance de freinage. Les plaquettes en céramique sont silencieuses et propres, mais coûteuses. Les plaquettes semi-métalliques freinent plus fort, mais s'usent plus vite et produisent plus de poussière.

Les freins à disque ont d'abord été utilisés sur les voitures de course dans les années 1950. Ils se sont répandus sur les voitures de série dans les années 1960 et sont devenus la norme dans les années 1980. Ils constituent l'une des avancées les plus importantes en matière de sécurité dans l'histoire de l'automobile.