Ūdensdzirnavas izmanto kustīgo ūdens objektu (parasti upju vai strautu) kinētisko enerģiju, lai vadītu mašīnas un ražotu elektrību. Ūdens kustība virza ūdens riteni, kas savukārt darbina mehānisku procesu pašā dzirnavās. Visizplatītākais mehāniskais process, kas vēsturiski saistīts ar ūdens dzirnavām, ir graudu malšana miltos. Sākotnēji to šim nolūkam izmantoja senajā Grieķijā, un tas tiek izmantots arī mūsdienās. Citi ūdensdzirnavu rūpnieciskie pielietojumi ir tekstila ražošana un kokzāģētavas.
Vēsturiski un mūsdienās jaunattīstības valstīs ūdensdzirnavas visbiežāk izmanto graudu malšanai miltos. Tos sauc par gristmalēm, kukurūzas dzirnavām vai miltu dzirnavām. Agrīnā riteņu projektēšanā senajā Grieķijā un Romā tika izmantotas horizontālas lāpstiņas, kuras sauca par skandināvu riteņiem. Lāpsta ir piestiprināta caur vārpstu pie skrējēja akmens, kas slīpējas pret fiksētu "gultas" akmeni. Britu un amerikāņu dzirnavas darbojas līdzīgi, bet ritenis ir uzstādīts vertikāli.
Agrākais zināmais kokzāģētavu pielietojums notika Romas impērijas austrumos trešā gadsimta otrajā pusē, un tas joprojām tika izmantots no viduslaiku perioda līdz industrializācijai. Senajā islāma pasaulē izplatītas bija arī hidroelektrostacijas. Tāpat kā citās ūdens dzirnavās, zāģētavās tiek izmantota kinētiskā enerģija, kas rodas, pārvietojoties ūdenim caur ūdens riteni, tikai šajā gadījumā ūdens riteņa apļveida kustība tiek pārveidota par zāģa asmens kustība turp un atpakaļ caur stieni, kas pazīstama kā "pitmana roka". Zāģētavas ar hidroelektrostaciju palīdzību spēja kokmateriālus no apaļkokiem ražot ātrāk un efektīvāk nekā roku darbs. Šī iemesla dēļ viņi turpināja būt izplatīti arī Amerikas koloniālajā periodā, līdz process kļuva elektriski darbināms.
Ūdensdzirnavas tekstilizstrādājumu ražošanai sākās viduslaiku Francijā 11. gadsimtā. Šīs slīpēšanas dzirnavas izmantoja ūdens riteņa kustību, lai paceltu koka āmurus (kas pazīstami kā uzpildes krājumi), kas pārspēja audumu. Kokvilnas dzirnavas izmantoja riteņa rotējošo kustību, lai "kartētu" neapstrādātu kokvilnu (sadalot un organizējot neapstrādātus kokvilnas gabalus vilnā), kā arī auduma un gatavās vilnas aušanai.
Ūdens dzirnavas joprojām tiek izmantotas graudu pārstrādei visā jaunattīstības pasaulē. Tie ir īpaši izplatīti visā Indijas laukos un Nepālā. Lai gan lētas elektroenerģijas pieejamība 20. gadsimta sākumā ūdensdzirnavas praktiski novecoja, dažas vēsturiskas ūdensdzirnavas turpina darboties Amerikas Savienotajās Valstīs. Turklāt dažas ūdens dzirnavas ir pārbūvētas, lai Apvienotajā Karalistē ražotu tīru hidroelektroenerģiju. Lai gan tie rada ievērojami mazāk enerģijas nekā lielās hidroelektrostacijas, to priekšrocība ir tāda, ka nav nepieciešams aizsprostot lielas upes.