Les moulins à eau exploitent l'énergie cinétique des masses d'eau en mouvement (généralement des rivières ou des ruisseaux) afin de faire fonctionner des machines et de produire de l'électricité. Le mouvement de l'eau entraîne la roue hydraulique, qui à son tour alimente un processus mécanique au sein du moulin lui-même. Le processus mécanique le plus commun historiquement associé aux moulins à eau est le broyage des grains en farine. Il était à l'origine utilisé à cette fin dans la Grèce antique et continue d'être utilisé de cette façon aujourd'hui. Les autres applications industrielles courantes des moulins à eau comprennent la fabrication de textiles et les scieries.
Historiquement et dans les pays en développement d'aujourd'hui, l'utilisation la plus courante des moulins à eau est la mouture des grains en farine. On les appelle moulins à farine, moulins à maïs ou moulins à farine. La conception des premières roues dans la Grèce antique et à Rome utilisait des palettes horizontales appelées roues nordiques. La pagaie est attachée via un arbre à une pierre de coureur qui broie contre une pierre de "lit" fixe. Les moulins à farine britanniques et américains fonctionnent de la même manière, mais la roue est montée verticalement.
La première utilisation connue des scieries a eu lieu dans l'Empire romain d'Orient dans la seconde moitié du IIIe siècle et a continué d'être employée de la période médiévale jusqu'à l'industrialisation. Les scieries hydroélectriques étaient également courantes dans l'ancien monde islamique. Comme avec les autres moulins à eau, les moulins à scie exploitent l'énergie cinétique de l'eau en mouvement à travers une roue à eau, seulement dans ce cas, le mouvement circulaire de la roue à eau est traduit en mouvement de va-et-vient d'une lame de scie à travers une tige connue sous le nom de "bras pitman". Les scieries alimentées par l'énergie hydraulique étaient capables de produire du bois à partir de grumes plus rapidement et plus efficacement que travail manuel. Pour cette raison, ils ont continué à être courants pendant la période coloniale américaine jusqu'à ce que le processus devienne électrique.
L'application des moulins à eau à la production de textiles a commencé dans la France médiévale au XIe siècle. Ces moulins à foulon utilisaient le mouvement de la roue hydraulique pour soulever des marteaux en bois (appelés fûts à foulon) qui battaient le tissu. Les filatures de coton utilisaient le mouvement de rotation de la roue pour « carder » le coton brut (briser et organiser les touffes de coton brut en laine) et pour tisser le tissu et la laine finie.
Les moulins à eau sont encore utilisés pour le traitement des céréales dans le monde en développement. Ils sont particulièrement répandus dans toute l'Inde rurale et le Népal. Bien que la disponibilité d'électricité bon marché au début du 20e siècle ait rendu les moulins à eau pratiquement obsolètes, certains moulins à eau historiques continuent de fonctionner aux États-Unis. De plus, certains moulins à eau ont été réaménagés pour produire de l'énergie hydroélectrique propre au Royaume-Uni. Bien que celles-ci génèrent nettement moins d'énergie que les grandes centrales hydroélectriques, elles ont l'avantage de ne pas nécessiter de barrage sur les grandes rivières.
