Os moinhos de água aproveitam a energia cinética de corpos d'água em movimento (geralmente rios ou riachos) para acionar máquinas e gerar eletricidade. O movimento da água aciona a roda d'água, que por sua vez aciona um processo mecânico dentro do próprio moinho. O processo mecânico mais comum, historicamente associado aos moinhos de água, é a moagem de grãos em farinha. Foi originalmente usado para esse propósito na Grécia antiga e continua a ser usado dessa forma hoje. Outras aplicações industriais comuns de moinhos de água incluem manufatura têxtil e serrarias.
O uso mais comum de moinhos de água, historicamente e nos países em desenvolvimento modernos, é para moer grãos e transformá-los em farinha. Estes são chamados de moinhos, moinhos de milho ou moinhos de farinha. Os primeiros projetos de rodas na Grécia e Roma antigas empregavam pás horizontais chamadas de rodas nórdicas. A pá é presa por meio de uma haste a uma pedra rotativa que se afasta contra uma pedra "base" fixa. Gristmills britânicos e americanos funcionam de maneira semelhante, mas a roda é montada verticalmente.
O primeiro uso conhecido de serrarias ocorreu no Império Romano oriental na segunda metade do século III e continuou a ser empregado desde o período medieval até a industrialização. Serrarias movidas a hidrelétricas também eram comuns no antigo mundo islâmico. Tal como acontece com outros moinhos de água, serrarias aproveitam a energia cinética do movimento da água através de uma roda d'água, apenas neste caso o movimento circular da roda d'água é traduzido para o movimento de vaivém de uma lâmina de serra através de uma haste conhecida como "braço pitman". Serrarias movidas a energia hidrelétrica eram capazes de produzir madeira a partir de toras com mais rapidez e eficiência do que trabalho manual. Por esta razão, eles continuaram a ser comuns durante o período colonial americano, até que o processo passou a ser alimentado eletricamente.
A aplicação de moinhos de água à produção de têxteis começou na França medieval durante o século XI. Esses moinhos de fulling usavam o movimento da roda d'água para levantar martelos de madeira (conhecidos como fulling stocks) que batiam em tecido. As fábricas de algodão usavam o movimento giratório da roda para "cardar" o algodão cru (separando e organizando os pedaços de algodão em lã) e para tecer tecidos e lã acabada.
Os moinhos de água ainda são usados para processar grãos em todo o mundo em desenvolvimento. Eles são particularmente prevalentes nas áreas rurais da Índia e do Nepal. Embora a disponibilidade de eletricidade barata no início do século 20 tenha tornado os moinhos de água virtualmente obsoletos, alguns moinhos de água históricos continuam a operar nos Estados Unidos. Além disso, alguns moinhos de água foram reformados para produzir energia hidroelétrica limpa no Reino Unido. Embora gerem significativamente menos energia do que grandes usinas hidrelétricas, eles têm a vantagem de não exigir o represamento de grandes rios.