Um freio a vácuo serviu como o sistema de freio padrão universal em trens ferroviários até que foi substituído pelos sistemas de ar comprimido mais eficientes e seguros usados hoje. O sistema de freio a vácuo funciona induzindo vácuo em uma série de mangueiras que percorrem todo o trem. Essas mangueiras são conectadas a unidades de pistão em cada carro que, quando acionadas pelo vácuo, fecham as pinças de freio nas rodas do carro. Em trens a vapor mais antigos, o vácuo era fornecido por ejetores na locomotiva, enquanto os sistemas mais novos utilizavam bombas de vácuo acionadas eletricamente. Embora os sistemas de ar comprimido sejam agora a norma na maioria dos trens novos, ainda existem operadores ferroviários usando material circulante com combinação de freios a ar comprimido / vácuo.
Embora geralmente eficazes, os sistemas de freio a vácuo simples têm uma falha séria, às vezes fatal, ou seja, qualquer quebra nas mangueiras torna todo o sistema inoperante. Este “calcanhar de Aquiles” contundente levou a vários acidentes graves envolvendo trens descontrolados e a eventual instalação do sistema de freio a vácuo automático mais seguro. Os sistemas de vácuo automáticos travavam todos os freios de um trem se houvesse qualquer interrupção no fornecimento de vácuo. Embora mais seguros, os sistemas ainda demoravam para inicializar, especialmente no caso de trens longos. Esses problemas de desempenho levaram lentamente à instalação generalizada de sistemas de freio a ar comprimido que são mais rápidos de acionar e liberar e geralmente mais seguros.
O sistema de freio a vácuo tem, em seu coração, uma linha ou tubo de vácuo central que percorre todo o comprimento do trem. A linha é tipicamente um tubo de aço nos vagões unidos por mangueiras flexíveis entre os vagões individuais. O último carro tem um encaixe vazio inserido no final de sua linha de vácuo para fechar o circuito. Nas locomotivas a vapor, um ejetor fornece o vácuo para os freios e é regulado por uma série de alavancas na cabine do motorista. Esses ejetores são dispositivos simples de Venturi operados a vapor que puxam pressão negativa suficiente para acionar o sistema de freio a vácuo.
Quando a força de frenagem é necessária, o maquinista ativa o ejetor que puxa o ar da linha central, criando um vácuo no sistema. Um conjunto de pistão de freio é montado na parte inferior de cada carro e conectado à linha de vácuo central. Quando movido pela pressão negativa no sistema, este pistão ativa uma série de ligações que puxam as sapatas de travamento contra as rodas do carro. Quando os freios são liberados, o vácuo reduz e o ar flui de volta para o cilindro do pistão, movendo-o para trás e reabrindo a pinça do freio para liberar as rodas.