Un frein à tambour ralentit une roue en pressant des segments contre l'intérieur d'un tambour rotatif. Le tambour est fixé à la roue et tourne avec elle. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale de frein, la pression hydraulique actionne un cylindre de roue, ce qui écarte les segments. Le frottement des segments contre le tambour crée une friction qui ralentit la roue.

Les freins à tambour ont été la norme sur les quatre roues pendant des décennies. Moins coûteux à fabriquer que les freins à disque, ils offrent une puissance de freinage importante à basse vitesse. De plus, leur fonctionnement repose sur un effet d'auto-renforcement : la rotation du tambour entraîne le contact du segment de frein avec la roue, augmentant ainsi la force de freinage tout en réduisant l'effort sur la pédale. C'est pourquoi certains camions et véhicules lourds en sont encore équipés.

Cependant, les freins à tambour présentent des inconvénients. Ils emprisonnent la chaleur à l'intérieur du tambour, ce qui peut entraîner une perte d'efficacité lors de freinages brusques et répétés. Leur entretien est plus complexe car les ressorts et les garnitures se trouvent à l'intérieur du tambour. De plus, ils évacuent moins bien l'eau que les freins à disque et peuvent donc être moins performants après avoir traversé des zones inondées.

La plupart des voitures modernes sont équipées de freins à disque à l'avant et de freins à disque ou à tambour à l'arrière. Les freins à tambour arrière sont courants sur les voitures économiques et hybrides, car le freinage arrière y est moins sollicité et le freinage régénératif réduit l'usure. Ils ne sont pas obsolètes, ils sont simplement moins répandus.