Vodní mlýny využívají kinetickou energii z pohybujících se vodních útvarů (obvykle řek nebo potoků), aby poháněly stroje a vyráběly elektřinu. Pohyb vody pohání vodní kolo, které zase pohání mechanický proces uvnitř samotného mlýna. Nejběžnějším mechanickým procesem historicky spojeným s vodními mlýny je mletí zrn na mouku. Původně se k tomuto účelu používalo ve starověkém Řecku a takto se používá dodnes. Mezi další běžné průmyslové použití vodních mlýnů patří výroba textilu a pily.
Nejběžnějším používáním vodních mlýnů v minulosti a v moderních rozvojových zemích je mletí zrn na mouku. Říká se jim mlýnské mlýny, mlýny na kukuřici nebo mlýny na mouku. Časná konstrukce kol ve starověkém Řecku a Římě používala vodorovná pádla, která se nazývala severská kola. Pádlo je připevněno prostřednictvím hřídele k běžeckému kameni, které se brousí o pevný kámen „postele“. Britské a americké mlýny fungují podobně, ale kolo je namontováno svisle.
Nejdříve známé použití pil se objevilo ve východní římské říši ve druhé polovině třetího století a nadále se používalo od středověku přes industrializaci. Pily na vodní pohon byly také běžné ve starověkém islámském světě. Stejně jako u jiných vodních mlýnů využívají pily také kinetickou energii z pohybu vody přes vodní kolo, pouze v tomto případě se kruhový pohyb vodního kola převede na pohyb pilového kotouče dopředu a dozadu prutem známým jako „pitmanovo rameno“. Pily, které poháněla vodní energie, dokázaly vyrábět dřevo z kulatiny rychleji a efektivněji než ruční práce. Z tohoto důvodu zůstali běžní až do amerického koloniálního období, dokud nebyl proces napájen elektricky.
Aplikace vodních mlýnů na výrobu textilií začala ve středověké Francii během 11. století. Tyto plnicí mlýny používaly pohyb vodního kola ke zvedání dřevěných kladiv (známých jako plnicí pažby), které šlehaly na látku. Továrny na bavlnu používaly rotační pohyb kola k „mykání“ surové bavlny (rozbíjení a seskupování surových shluků bavlny na vlnu) a k tkaní látky a konečné vlny.
Vodní mlýny se stále používají ke zpracování obilí v rozvojovém světě. Obzvláště se vyskytují na venkově v Indii a Nepálu. Ačkoli dostupnost levné elektřiny na počátku 20. století učinila vodní mlýny prakticky zastaralými, některé historické vodní mlýny nadále fungují ve Spojených státech. Některé vodní mlýny byly navíc ve Velké Británii dodatečně vybaveny k výrobě čisté vodní energie. I když tyto generují podstatně méně energie než velké vodní elektrárny, mají tu výhodu, že nevyžadují přehrazení velkých řek.
