自由落体是指物体仅受重力作用，无初速度地自高处下落的运动，是一种初速度为零的匀加速直线运动。

亚里士多德时代，人们通常认为越重的物体在自由落体时下降速度越快。伽利略研究后认为，物体下降的速度和物体重量无关。牛顿进而发现小球在自由落体时，是受到了地球的引力作用，引力使小球恒定的加速。在牛顿经典力学中，物体的自由落体在无空气阻力的均匀引力场、有空气阻力的均匀引力场、平方反比定律引力场中具有不同计算方式。而广义相对论中，通常认为引力不是物体与引力场之间的作用，而是由物质的存在而造成的时空的扭曲。

1971年，美国宇航员戴维·斯戈特（David R. Scott）在月球表面用羽毛和锤子科技的自由落体证明自由落体运动速度变化与物体重量无关。除此之外，跳伞、在太空中处于失重状态的宇航员、关掉动力装置的太空航行器、月球、人造卫星都属于自由落体运动人们还利用自由落体运动在地面模拟出微重力环境。

一世纪前后，古希腊哲学家亚里士多德（约公元前 384—322 年）曾在《论天》（On the Heavens）中说，如果某个重量的物体在一定时间内运动一定的距离，则更重的物体会在较短的时间内运动同样的距离，且重量之比等于时间之比。同时，亚里士多德认为，物体的下落速度随物体的自然下落速率（natural rate of fall）的变化而不同。自然下落速率是物体的固有属性，与物体的重量成正比，与下落时物体所处的媒介密度成反比。

六世纪时，约翰·菲罗波努斯 （John Philoponus）对亚里士多德的观点提出质疑，他观察后认为重量不同的球会以几乎相同的速度下落。 十二世纪时，伊拉克哲学家希巴特·阿拉·阿布·巴拉卡特·巴格达迪（Hibbat Allah Abul Barakat al-Baghdadi）根据什洛莫·派恩斯（Shlomo Pines）的说法，否定了亚里士多德的观点，他认为持续施加的力会产生加速度，并认为恒定的力产生匀加速运动，加速度是速度的变化率。随后，法国哲学家布里丹和阿尔伯特进一步解释，下落物体的加速度是其推力增加的结果。

十六世纪，意大利物理学家伽利略·伽利莱设计了一个思想实验，他设想了一个混合物体，让轻的物体在上，重的物体在下。按照亚里士多德的观点，轻的物体下落慢，会产生向上的力，阻碍重的物体下落。同时重物体产生向下的力，加速轻的物体，所以混合物体的自由落体速度会介于两个物体单独下落的速度之间。但混合物体的重量大于任何一个物体，所以混合物体的自由落体速度会超过任何一个物体，这两种推测的结果自相矛盾，所以伽利略确认亚里士多德的理论不可靠。

接着，伽利略设计了一个斜面实验，并观测到，小球在斜面上移动的距离与时间的平方成正比。不管小球重量如何，它们在同样的时间内，增加的速度都是相同的。而后，伽利略·伽利莱将斜面设置成对称形。进而发现在无外力干涉的情况下，小球将会以等速运动持续运行到无限远处。于是伽利略认为自由落体运动中，物体会以恒定的加速度下落，下落速度和物体重量无关。

1590年，伽利略·伽利莱发现自由落体的物体下落速度与重量无关后，在意大利比萨斜塔做过一次公开实验。他手持一大一小两个铅球站在比萨斜塔顶层，从钟楼的拱窗伸出手去，同时双手放开。聚集在广场的人们观测到两个铅球始终并排下落，并不分先后的掉到地面上，证明自由落体运动与物体重量无关。但伽利略·伽利莱是否真的在比萨斜塔上做过自由落体实验存在争议。此传说来源于利略的一个名叫维维阿尼的学生，他在1654年所写的《伽利略传》中提到伽利略曾在比萨斜搭做过自由落体实验。但伽利略、比萨大学以及同时代的其他人都没有记载此事。伽利略的著作《两种新科学的对话》中，也没有提到在比萨斜塔做自由落体实验的事情。

十六世纪后期，牛顿对伽利略的实验进一步解释，认为小球在自由落体时，是受到了引力作用，引力使小球恒定的加速。而如果小球不受到外力作用，它会保持静止，或者以相同的速度保持直线运动。所以牛顿认为力不是物体运动的原因，而是物体运动状态变化的原因，并由此提出惯性原理，即牛顿第一定律。

1971年，美国发射阿波罗15号第四次登月，宇航员戴维·斯戈特（David R. Scott）在月球表面做了一次自由落体实验。他把一根羽毛和一把锤子科技从同一高度同时放下，地球上的观众通过电视转播，看到了羽毛和锤子并排下落，同时落在月球表面，直观的表明在无空气阻力的情况下，自由落体速度与物体重量无关。

在自由落体运动中，物体下落的瞬间是静止的，即初速度为零。

自由落体运动只受到重力作用，不受其他外界作用力，或其他外力矢量和为零。

在真空中，或者在空气中，但空气阻力可以忽略时，任何物体在相同高度做自由落体运动结果，下落时间相同。

在物体运动过程中，通常用来表示运动时间。而物体运动一开始的速度，叫做初速度，通常用表示。在秒末的速度，叫做末速度，用表示。在匀变速直线运动中，速度的变化与发生该变化所需要的时间之比是固定的，叫做匀变速直线运动的加速度，通常用来表示，而物体运动的距离为。它们之间存在如下关系：

经过对不同物体在地球上进行实验表明，同一地点，一切物体自由落体的速度变化过程是相同的，即加速度是相同的，这个加速度叫做自由落体加速度（free-fall acceleration），也叫做重力加速度（gravitational acceleration），通常用表示。方向竖直向下，在地球的不同地方，值略有不同。在一般的计算中，通常取，有时也可近似取。

自由落体运动适用所有的匀变速直线运动公式。设垂直地面向下为轴正方向，时，质点位于原点，则下落时间后：

自由落体运动速度为：

自由落体位移为：

自由落体速度随位移变化为：

其中，为运动时间，为瞬时速度，为下落高度。

自由落体运动，一段时间内的平均速度为：

自由落体运动速度的增加是均匀的，所以相等时间内物体运动的距离是逐渐增加的，而在相等时间内，物体运动的距离之差为

其中， 为平均速度，为距离之差。

当物体所受重力远大于空气阻力时，物体在靠近行星表面的一小段距离内的竖直下落运动，可以视为无空气阻力的自由落体运动。此时，

其中，为初始速度（），是时刻的速度（），是初始高度（），是时刻的高度（），是经过的时间（），是重力加速度。

当空气阻力不能忽略时，在空气中自由落体的物体需要考虑空气阻力的影响，空气阻力与物体下落速度的平方成正比。此时，

其中，为空气密度，为空气阻力系数，为物体横截面积。

如果物体从静止开始下落，并且空气密度不随高度变化，则有

其中，是时刻的速度（），为终端速度（），是初始高度（），物体高度（）。

在没有其他力的情况下，空间中的两个物体在万有引力的作用下互相绕行，可以视为两个物体互相自由落体。例如月球或人造卫星绕着地球旋转，或者行星绕着太阳旋转。引力双体问题遵循开普勒行星运动定律中的椭圆轨道。

当两个物体在没有初始角动量的情况下开始彼此自由落体时，可以认为其椭圆轨道的偏心率，此时

其中，为自由落体的时间，为两个物体中心的距离，为的初始值，为标准引力参数。当时，可以计算出自由落体的时间，可得

将上式泰勒展开，得到

其中，

在广义相对论中，通常认为引力并不是受力物体与引力场之间的相互作用，而是空间的某种几何性质，是由于物质的存在而造成的时空的扭曲。地球引力使时空发生弯曲，而自由落体的物体在弯曲的时空表面沿着测地线运动，弯曲的时空推着物体朝地球的方向运动，自由落体的物体没有受到力的作用。

跳伞运动可以被视为在具有空气阻力的均匀引力场中的自由落体。在跳伞初期，运动员受到的空气阻力较小，运动员移动速度不断增加。一段时间后，运动员加速到终端速度，其受到的空气阻力与重力相当，不再加速。

在太空中，处于失重状态的宇航员和关掉动力装置的太空航行器，都属于自由落体运动，他们仅仅受到地球重力的作用。环绕地球轨道运动的月球，以及环绕地球轨道运动的卫星，都属于自由落体运动。他们仅仅受到地球引力的作用，向地球“坠落”，但同时由于其自身速度够快，所以能保持在太空轨道上。这些均可以视为平方反比定律引力场中的自由落体运动。

在太空航行时，飞行轨道上或其他星球上的重力环境与地球表面的重力环境差异很大，而在飞行前必须在地面确认机构在空间的性能和可靠性，所以需要在地面实现对空间机构实际工作时的空间重力环境的模拟，于是产生了地面重力补偿设备。最常见的重力补偿设备为落塔，落塔在试验时将试验物体从高塔上落下，利用物体在自由落体过程中所处的低重力或微重力环境来进行试验。

正在飞行的飞机不是自由落体，因为飞机的机翼受到了空气提供的升力。停在地面上的物体也不是自由落体，因为物体同时受到重力和来自地面的支持力。载人飞船重返大气层以及使用降落伞降落，都不能被视为自由落体，因为他们所受重力被空气阻力所抵消。正在太空航行的航空器因为受到火箭提供的推力，也不能被视为自由落体。