I mulini ad acqua sfruttano l'energia cinetica dai corpi idrici in movimento (di solito fiumi o torrenti) per azionare macchinari e generare elettricità. Il movimento dell'acqua aziona la ruota idraulica, che a sua volta alimenta un processo meccanico all'interno del mulino stesso. Il processo meccanico più comune storicamente associato ai mulini ad acqua è la macinazione dei cereali in farina. Originariamente era usato per questo scopo nell'antica Grecia e continua ad essere usato in questo modo oggi. Altre applicazioni industriali comuni dei mulini ad acqua includono la produzione tessile e le segherie.
L'uso più comune dei mulini ad acqua storicamente e nei moderni paesi in via di sviluppo è per macinare i cereali in farina. Questi sono chiamati mulini da grano, mulini per mais o mulini per farina. Il primo design delle ruote nell'antica Grecia e a Roma utilizzava pale orizzontali chiamate ruote norrene. La pagaia è fissata tramite un albero a una pietra del corridore che macina contro una pietra fissa "letto". I mulini britannici e americani funzionano in modo simile, ma la ruota è montata verticalmente.
Il primo uso conosciuto delle segherie si è verificato nell'Impero Romano d'Oriente nella seconda metà del III secolo e ha continuato ad essere impiegato dal periodo medievale attraverso l'industrializzazione. Le segherie idroelettriche erano comuni anche nell'antico mondo islamico. Come con altri mulini ad acqua, le segherie sfruttano l'energia cinetica dal movimento dell'acqua attraverso una ruota idraulica, solo in questo caso il movimento circolare della ruota idraulica viene tradotto al movimento avanti e indietro di una lama di sega attraverso un'asta nota come "braccio pitman". Le segherie azionate dall'energia idroelettrica erano in grado di produrre legname da tronchi in modo più rapido ed efficiente di lavoro manuale. Per questo motivo continuarono ad essere comuni anche nel periodo coloniale americano fino a quando il processo non divenne alimentato elettricamente.
L'applicazione dei mulini ad acqua alla produzione di tessuti iniziò nella Francia medievale durante l'XI secolo. Queste gualchiere utilizzavano il movimento della ruota idraulica per sollevare martelli di legno (noti come gualchiere) che battevano sul tessuto. I cotonifici utilizzavano il movimento rotatorio della ruota per "cardare" il cotone grezzo (rompendo e organizzando i ciuffi di cotone grezzo in lana) e per tessere stoffa e lana finita.
I mulini ad acqua sono ancora utilizzati per la lavorazione del grano in tutto il mondo in via di sviluppo. Sono particolarmente diffusi nelle zone rurali dell'India e del Nepal. Sebbene la disponibilità di elettricità a basso costo all'inizio del XX secolo abbia reso i mulini ad acqua praticamente obsoleti, alcuni storici mulini ad acqua continuano a funzionare negli Stati Uniti. Inoltre, alcuni mulini ad acqua sono stati adattati per produrre energia idroelettrica pulita nel Regno Unito. Sebbene questi generino una potenza significativamente inferiore rispetto ai grandi impianti idroelettrici, hanno il vantaggio di non dover arginare grandi fiumi.
