农村村民出宅基地，城里人投资建设并免费使用20年的行为，通常不合法。以下从法律规定与限制、合法性判断依据两方面进行分析：

一、法律规定与限制

1. 宅基地性质与归属：根据《中华人民共和国土地管理法》第二条及第六十二条，农村宅基地属于农民集体所有，个人仅能获得使用权，而非所有权。农村村民一户只能拥有一处宅基地，面积不得超过省、自治区、直辖市规定的标准。
2. 流转限制：宅基地的流转通常限于本集体经济组织内部成员之间，且需符合“一户一宅”原则及面积标准，并经过法定程序审批。严禁城镇居民在农村购置宅基地，这是法律明确禁止的。

二、合法性判断依据

1. 城里人投资建设并免费使用的非法性：城里人作为非本集体经济组织成员，无权购买或获得宅基地使用权。即便农村村民愿意出宅基地，城里人投资建设并免费使用20年的行为，也因违反法律强制性规定而无效。
2. 潜在法律风险：此类行为可能导致无法办理产权登记，城里人权益无法保障；农村集体经济组织有权收回非法占用或不符合规定的宅基地；城里人可能面临罚款、行政处分等法律后果。