Vesimyllyt hyödyntävät liikkuvien vesistöjen (yleensä jokien tai purojen) kineettistä energiaa koneiden ajamiseksi ja sähkön tuottamiseksi. Veden liike ajaa vesipyörää, mikä puolestaan johtaa mekaanista prosessia itse myllyssä. Yleisin mekaaninen prosessi, joka historiallisesti liittyy vesimyllyihin, on jyvien jauhaminen jauhoksi. Sitä käytettiin alun perin tähän tarkoitukseen muinaisessa Kreikassa ja käytetään edelleen tällä tavalla. Muita vesimyllyjen yleisiä teollisia sovelluksia ovat tekstiilien valmistus ja sahat.
Vesimyllyjen yleisin käyttö historiallisesti ja nykypäivän kehitysmaissa on jyvien jauhaminen jauhoksi. Näitä kutsutaan gristmyllyiksi, maissi- tai jauhamyllyiksi. Varhaisessa pyöräsuunnittelussa antiikin Kreikassa ja Roomassa käytettiin vaakasuoria meloja, joita kutsuttiin norjalaisiksi pyöriksi. Mela on kiinnitetty akselin kautta juoksijakiviin, joka jauhaa kiinteää "sängyn" kiveä vasten. Brittiläiset ja amerikkalaiset gristmillit toimivat samalla tavalla, mutta pyörä on asennettu pystysuoraan.
Aikaisin tunnettu sahojen käyttö tapahtui Itä-Rooman valtakunnassa kolmannen vuosisadan jälkipuoliskolla, ja sitä käytettiin edelleen keskiajalta teollistumisen kautta. Vesivoimaiset sahat olivat yleisiä myös muinaisen islamilaisen maailman keskuudessa. Kuten muillakin vesimyllyillä, sahalaitokset hyödyntävät kineettistä energiaa liikkuvasta vedestä vesipyörän läpi, vain tässä tapauksessa vesipyörän pyöreä liike käännetään sahanterän edestakaisin liikkuminen tangon läpi, joka tunnetaan nimellä "pitmanvarsi". Vesivoimalla toimivat sahalaitokset pystyivät tuottamaan puuta tukkeista nopeammin ja tehokkaammin kuin ruumiillinen työ. Tästä syystä ne olivat edelleen yleisiä pitkälle Yhdysvaltojen siirtomaa-aikaan, kunnes prosessista tuli sähkökäyttöinen.
Vesimyllyjen soveltaminen tekstiilien tuotantoon alkoi keskiaikaisessa Ranskassa 1100-luvulla. Nämä täyttömyllyt käyttivät vesipyörän liikettä nostamaan puisia vasaroita (tunnetaan nimellä fulling stock), jotka löivät kangasta. Puuvillatehtaat käyttivät pyörän pyörivää liikettä raakapuuvillan "kortoimiseksi" (puuvillan murskaaminen ja organisoiminen villaksi) ja kudontaan kangasta ja viimeisteltyä villaa.
Vesimyllyjä käytetään edelleen viljan jalostamiseen koko kehitysmaissa. Ne ovat erityisen yleisiä Intian maaseudulla ja Nepalissa. Vaikka halvan sähkön saatavuus 1900-luvun alussa teki vesimyllyistä lähes vanhentuneita, jotkut historialliset vesimyllyt jatkavat toimintaa Yhdysvalloissa. Lisäksi jotkut vesimyllyt on asennettu jälkiasennuksiin puhtaan vesivoiman tuottamiseksi Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Vaikka nämä tuottavat huomattavasti vähemmän virtaa kuin suuret vesivoimalat, niiden etuna ei ole, että suuria jokia ei tarvitse patoa.