Ett fängelsestraff som inte är tidsbestämt kallas för ett livstidsstraff. Den som avtjänar ett livstidsstraff vet inte hur länge han eller hon kommer att sitta i fängelse. Ett sådant straff kan endast dömas ut vid vissa särskilt allvarliga brott, exempelvis mord, människorov, grovt spioneri och grov mordbrand. Den som har begått ett brott innan han eller hon har fyllt 21 år kan inte dömas till livstids fängelse, utan högst till fängelse i 14 år.

Även om ett livstidsstraff formellt sett är tänkt att vara livet ut tillbringar den dömde vanligtvis inte resten av sitt liv i fängelse. Efter att ha avtjänat minst 10 år av straffet kan den dömde nämligen ansöka om att få sitt livstidsstraff tidsbestämt. Alla ansökningar om att omvandla livstidsstraff till tidsbestämda straff prövas vid Örebro tingsrätt.

När tingsrätten prövar frågan om den dömde ska få sitt livstidsstraff omvandlat till ett tidsbegränsat straff ska, förutom bl.a. den tid som den dömde har avtjänat, särskilt beaktas om det finns risk för att den dömde återfaller i brottslighet av allvarligt slag. Om tingsrätten går med på ansökan får det tidsbestämda straffet inte vara kortare än 18 år, vilket är det längsta tidsbegränsade straff som kan dömas ut i Sverige. Två vanliga skäl till att en ansökan inte beviljas är att gärningen som den dömde har begått är för allvarlig i förhållande till den tid som han eller hon har avtjänat i fängelse och att risken för återfall i allvarlig brottslighet är för stor.

För den som får sitt livstidsstraff omvandlat till ett tidsbestämt straff gäller samma regler som för övriga fängelsedömda. Den som avtjänar ett tidsbestämt straff blir normalt villkorligt frigiven när han eller hon har avtjänat två tredjedelar av fängelsestraffet. Detsamma gäller således för den livstidsdömde som har fått sitt livstidsstraff omvandlat till ett tidsbestämt straff. Efter den villkorliga frigivningen har den dömde en prövotid som motsvarar tiden som återstår av fängelsestraffet, dock minst ett år.

Antalet livstidsfångar i Sverige har varierat över tid, men i början av 2019 fanns det 154 intagna som avtjänade ett livstidsstraff på svenska kriminalvårdsanstalter. Endast sju av dessa var kvinnor. Alla utom sex var dömda för mord (inklusive medhjälp, försök eller anstiftan till mord).

Sedan mitten av 1990-talet har de tidsbestämda straffen, efter omvandling från ett livstidsstraff, ökat i längd. Under perioden 1985 – 1994 omvandlades livstidsstraffen i genomsnitt till fängelse i 15 år och sex månader. Motsvarande siffra för 2005 – 2013 var nästan 25 år.