与传统内燃机相比，其活塞组件不受曲柄连杆机构限制，因而可以作“自由”的直线往复运动。根据活塞布置形式不同，可分为单活塞式、双活塞式和对置活塞式三种基本类型；根据燃烧形式不同，可以分为自由活塞斯特林发动机和自由活塞内燃发动机；根据能量输出形式不同，又可以分为自由活塞压气机、液压自由活塞发动机、自由活塞发电机。

自由活塞式发动机没有传统往复式内燃机的曲柄连杆机构，可以极大地减轻发动机本身的重量；与传统曲轴连杆式内燃机相比，自由活塞发动机机械结构简单，且活塞不受侧向力作用，系统的摩擦损失大大减小，因而机械效率较高；没有曲柄连杆机构的约束，活塞组件可自由运动，因而压缩比可以在一定范围内自由调节，具有良好的燃料适应性。与此同时，活塞组件的运动完全由气缸内的燃烧情况和系统负载决定，自由活塞运动控制要求较高。

自由活塞发动机最早在1928年由R.P.皮斯卡拉提出。20世纪30～60年代，由于相比于当时的曲轴式内燃机和燃气轮机具有诸多优势，特别是其热效率可达40%以上，主要被用作自由活塞压气机。但受到当时技术条件的限制，自由活塞发动机存在着诸如控制不精确、运行不稳定等问题，而曲轴式内燃机技术在这一时期不断进步，其经济性和动力性不断提升，因而自由活塞发动机的研发逐渐趋于冷却。随着环境保护压力的增大和电控技术的不断进步，自由活塞发动机重回人们的视野。相关研究机构开发出了将自由活塞发动机与液压泵相结合而成的液压自由活塞发动机，以及将自由活塞发动机与直线电机耦合而成的自由活塞直线发电机。受限于热-机-电强耦合等技术难题，其研究工作主要集中在稳定运行方面。自由活塞发动机通过利用多种热源发电、热电联产以及混合动力驱动的方式在深空探测、汽车、工程机械等领域具有广阔的应用前景。