자유 낙하란 공기의 저항이나 다른 외력이 작용하지 않는 상태에서 오직 중력의 영향만을 받아 하방으로 떨어지는 운동을 의미한다. 일상적인 환경에서는 공기 저항이 존재하기 때문에 엄밀한 의미의 자유 낙하를 관찰하기 어렵지만, 진공 상태에서는 물체의 모양이나 크기와 관계없이 중력만이 작용하여 바닥으로 낙하한다. 일반적으로 자유 낙하는 정지 상태, 즉 초기 속도가 0인 상태에서 출발하는 운동을 일컫는다.

자유 낙하 운동의 가장 큰 특징은 물체의 질량에 상관없이 모든 물체가 동일한 가속도로 떨어진다는 점이다. 이를 중력 가속도라고 하며, 지구 표면 근처에서는 그 값이 약 9.8m/s²로 일정하다. 과거 아리스토텔레스는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어진다고 믿었으나, 갈릴레오 갈릴레이는 사고 실험과 관찰을 통해 공기 저항이 없다면 모든 물체가 동시에 지면에 도달한다는 사실을 과학적으로 입증하였다.

자유 낙하하는 물체의 운동은 수학적인 공식을 통해 정확히 기술할 수 있다. 낙하 시작 후 t초가 지났을 때 물체의 속도(v)는 중력 가속도(g)와 시간의 곱인 'v = gt'로 나타낸다. 또한, 물체가 이동한 거리(s)는 시간의 제곱에 비례하며 's = 1/2 gt²'이라는 식을 통해 산출된다. 이는 물체가 낙하하는 동안 속도가 일정하게 증가하는 등가속도 직선 운동의 대표적인 사례로 꼽힌다.

현실 세계의 대기 중에서는 낙하하는 물체에 공기의 저항력이 작용하여 이론적인 자유 낙하와는 다른 양상을 보인다. 물체의 속도가 빨라짐에 따라 공기 저항도 함께 커지며, 결국 중력과 저항력이 평형을 이루는 시점이 발생한다. 이때 물체는 더 이상 가속되지 않고 일정한 속도로 낙하하게 되는데, 이를 종단 속도라고 한다. 빗방울이 가속되지 않고 일정한 속도로 떨어지거나 낙하산을 이용해 안전하게 착륙할 수 있는 원리가 바로 여기에 있다.

자유 낙하에 대한 이해는 고전 역학의 정립과 현대 물리학의 발전에 지대한 공헌을 하였다. 아이작 뉴턴은 자유 낙하 운동을 분석하여 만유인력의 법칙을 확립하였으며, 이는 행성의 공전 등 천체 물리학을 설명하는 기초가 되었다. 이후 알베르트 아인슈타인은 자유 낙하하는 가속계 내에서는 중력을 느낄 수 없다는 등가 원리를 제시함으로써 일반 상대성 이론의 핵심적인 토대를 마련하였다.