Trước khi phanh khí nén ra đời, các đoàn tàu hỏa sử dụng một hệ thống phanh thô sơ cần có người điều khiển ở mỗi toa (gác hãm, gác phanh) để kéo tay phanh khi có hiệu lệnh của lái tàu. Kiểu phanh thô sơ và kém hiệu quả này sau đó được thay thế bằng hệ thống phanh nén khí trực tiếp.

Các xe đầu kéo, xe buýt và tàu hỏa đều sử dụng phanh khí nén mà không lựa chọn phanh thủy lực bởi vì khi có hiện tượng rò rỉ, dầu phanh có thể bị chảy hết khỏi hệ thống hãm, còn phanh khí nén không bị như vậy. Mặt khác, các phương tiện vận tải hạng nặng (cả người và hàng hóa) yêu cầu về độ an toàn rất cao, một đoàn tàu với tải trọng hàng nghìn tấn hàng hóa, hàng trăm hành khách, với động năng lớn, tốc độ cao, sẽ trở thành đoàn tàu "tử thần"  khi dầu phanh bị rò rỉ.

Mặt cắt dọc phanh khí nén.

Sử dụng hệ thống phanh nén khí trực tiếp, tức là sử dụng một máy nén khí cung cấp khí nén thông qua một đường ống dẫn vào bình chứa khí của mỗi toa tàu. Khi lái tàu nhấn phanh, các đường ống được nạp đầy khí nén để ép cứng các "má" phanh.

Năm 1869, một kỹ sư tên là George Westinghouse đã nhận ra tầm quan trọng của tính an toàn đối với ngành công nghiệp ĐS non trẻ lúc bấy giờ đã sáng chế ra hệ thống phanh khí nén sử dụng van ba ngả (còn gọi là van 3 cửa) đầu tiên, dùng cho xe chở khách chạy trên đường ray. Phanh của Westinghouse có nguyên lý hoạt động ngược hẳn so với hệ thống phanh khí nén trực tiếp. Van 3 ngả có 3 cửa nối với 3 đường khí khác nhau: một cửa dành cho ống dẫn chính từ bình tích khí, một cửa dẫn tới các xi lanh công tác của cơ cấu phanh và cửa còn lại thông với các bình chứa phụ; và như vậy, một hệ thống "can 3 ngả" sẽ thực hiện các chức năng sau: Nạp khí: hệ thống cần được nạp đầy khí nén thì mới có thể nhả phanh; nghĩa là khi đoàn tàu không hoạt động, nó luôn trong tình trạng được phanh. Chỉ khi áp suất trong hệ thống đạt tới mức thích hợp (thông thường là 5 kg/cm2) thì cơ cấu phanh mới thôi tác dụng, tàu hỏa sẵn sàng khởi hành. Hãm phanh: khi lái tàu kéo (đạp) phanh thì áp suất trong hệ thống sẽ giảm xuống. Khi lượng khí trong hệ thống giảm thì "van 3 ngả" sẽ cho phép khí hồi về các bình chứa, cơ cấu hãm sẽ thực hiện chức năng phanh (hãm tàu). Nhả phanh: sau khi thực hiện tác dụng phanh, một lượng khí nén sẽ bị xả ra ngoài, sau đó áp suất trong hệ thống được tăng để nhả phanh. Thay vì dùng lực cơ học hay áp suất khí nén trực tiếp để tác dụng phanh giống như phanh thủy lực hiện nay. George Westinghouse sử dụng một bình chứa luôn được cung cấp đầy khí nén ở áp suất công tác để nhả phanh. Nói cách khác, chế độ phanh trong hệ thống "van 3 ngả" luôn được duy trì hoàn toàn cho đến khi có một lượng khí nén bị đẩy ra ngoài không khí. Điểm an toàn nhất ở đây là giả sử toàn bộ khí nén bị rò rỉ hết ra ngoài thì mặc nhiên cơ cấu phanh sẽ được kích hoạt một cách tự động và cả đoàn tàu được hãm lại. Trong khi đó, nếu sử dụng phanh thủy lực, khi dầu phanh bị rò rỉ hết ra ngoài thì thực sự là một thảm họa

ELC