Um freio de tambor consiste num tambor de ferro fundido contendo um par de sapatas semi circulares. O tambor está ligado à roda e gira solidário com esta de tal modo que, quando o tambor diminui de velocidade ou para, o mesmo acontece à roda. O atrito necessário para reduzir a velocidade do tambor provém da aplicação, pelo lado de dentro, de sapatas, que não rodam mas estão montadas num prato metálico fixo. Cada sapata é constituída por uma peça curva de aço ou liga metálica leve coberta por um revestimento ou guarnição resistente ao desgaste (lona).
Na maioria dos freios de tambor, as sapatas são pressionadas de encontro ao tambor de rotação, graças a um dispositivo articulado. Uma das extremidades de cada sapata está articulada num eixo, enquanto a outra pode ser movida por um excêntrico ou pelo fluído de freios impelido sob pressão para o interior dos cilindros do freio da roda e proveniente do cilindro mestre. Num dos sistemas hidráulicos, o cilindro da roda está fixo ao prato do freio e contém dois pistões que acionam as sapatas. Como alternativa, utiliza-se um só pistão no cilindro que pode mover-se no prato do freio. Quando os freios são aplicados, a pressão do fluído atua uniformemente sobre o pistão e a extremidade fechada do cilindro, obrigando estes a separarem-se. Por sua vez, estas peças afastam as sapatas, de modo que as lonas se encostem no tambor.
Molas de retorno, de chamada ou de recuperação, que se distendem quando as sapatas estão separadas, obrigam estas a retornar à sua posição original, afastando-se do tambor ao cessar a pressão exercida pelo motorista sobre o pedal dos freios.
Quando duas sapatas têm o mesmo eixo de articulação, uma recebe a designação de primária e a outra de secundária. Outra disposição consiste em articular sapatas separadamente em pontos opostos do prato do freio. Neste caso, atuam ambas como sapatas primárias quando o automóvel se desloca para frente.
A pressão de contato entre a sapata primária e o tambor tende a ser aumentada, em virtude do atrito exercido pelo tambor em rotação, o que aumenta a força de frenagem na roda. Uma sapata secundária, como tende a ser afastada do tambor exerce uma pressão consideravelmente menor do que a exercida pela sapata
primária.