Los molinos de agua aprovechan la energía cinética de los cuerpos de agua en movimiento (generalmente ríos o arroyos) para impulsar maquinaria y generar electricidad. El movimiento del agua impulsa la rueda hidráulica, que a su vez impulsa un proceso mecánico dentro del propio molino. El proceso mecánico más común históricamente asociado con los molinos de agua es moler los granos para convertirlos en harina. Originalmente se usó para este propósito en la antigua Grecia y continúa usándose de esta manera en la actualidad. Otras aplicaciones industriales comunes de los molinos de agua incluyen la fabricación de textiles y los aserraderos.
El uso más común de los molinos de agua históricamente y en los países en desarrollo de hoy en día es para moler granos y convertirlos en harina. Estos se llaman molinos, molinos de maíz o molinos harineros. Los primeros diseños de ruedas en la antigua Grecia y Roma empleaban paletas horizontales que se llamaban ruedas nórdicas. La paleta está unida a través de un eje a una piedra de corredor que muele contra una piedra de "cama" fija. Los molinos de molienda británicos y estadounidenses funcionan de manera similar, pero la rueda está montada verticalmente.
El primer uso conocido de los aserraderos ocurrió en el Imperio Romano de Oriente en la segunda mitad del siglo III y continuó utilizándose desde el período medieval hasta la industrialización. Los aserraderos hidroeléctricos también eran comunes en el antiguo mundo islámico. Al igual que con otros molinos de agua, los aserraderos aprovechan la energía cinética del agua en movimiento a través de una rueda de agua, solo que en este caso el movimiento circular de la rueda de agua se traduce en la movimiento hacia adelante y hacia atrás de una hoja de sierra a través de una varilla conocida como "brazo pitman". Los aserraderos impulsados por energía hidroeléctrica eran capaces de producir madera a partir de troncos de manera más rápida y eficiente que labor manual. Por esta razón, continuaron siendo comunes hasta bien entrado el período colonial estadounidense hasta que el proceso se alimentó eléctricamente.
La aplicación de los molinos de agua a la producción de textiles se inició en la Francia medieval durante el siglo XI. Estos batanes utilizaban el movimiento de la rueda hidráulica para levantar martillos de madera (conocidos como batanes) que golpeaban la tela. Las fábricas de algodón utilizaban el movimiento giratorio de la rueda para "cardar" el algodón en bruto (rompiendo y organizando grupos de algodón en bruto en lana) y para tejer telas y lana terminada.
Los molinos de agua todavía se utilizan para procesar cereales en todo el mundo en desarrollo. Son particularmente frecuentes en las zonas rurales de India y Nepal. Aunque la disponibilidad de electricidad barata a principios del siglo XX hizo que los molinos de agua fueran prácticamente obsoletos, algunos molinos de agua históricos siguen funcionando en los Estados Unidos. Además, algunos molinos de agua se han modernizado para producir energía hidroeléctrica limpia en el Reino Unido. Si bien estos generan significativamente menos energía que las grandes centrales hidroeléctricas, tienen la ventaja de no necesitar represas en grandes ríos.