Vodné mlyny využívajú kinetickú energiu z pohybujúcich sa vodných útvarov (zvyčajne z riek alebo potokov) na pohon strojov a výrobu elektriny. Pohyb vody poháňa vodné koleso, ktoré zase poháňa mechanický proces v samotnom mlyne. Najbežnejším mechanickým procesom, ktorý sa v minulosti spájal s vodnými mlynmi, je mletie zŕn na múku. Pôvodne sa na tento účel používal v starovekom Grécku a takto sa používa dodnes. Medzi ďalšie bežné priemyselné využitie vodných mlynov patrí textilná výroba a píly.
Najbežnejšie použitie vodných mlynov v minulosti a v moderných rozvojových krajinách je na mletie zŕn na múku. Nazývajú sa mlynčeky na mlyn, kukuričné mlyny alebo mlyny na múku. Skorý dizajn kolies v starovekom Grécku a Ríme využíval horizontálne lopatky, ktoré sa nazývali severské kolesá. Pádlo je pripevnené prostredníctvom hriadeľa k nosnému kameňu, ktorý sa brúsi o pevný kameň „postele“. Britský a americký mlýn pracujú podobným spôsobom, ale koleso je namontované zvisle.
K prvému známemu použitiu píl došlo vo východnej Rímskej ríši v druhej polovici tretieho storočia a naďalej sa využívalo od stredoveku cez industrializáciu. Pily na vodný pohon boli bežné aj v starovekom islamskom svete. Rovnako ako v prípade iných vodných mlynov, aj v pilách sa využíva kinetická energia z pohybu vody cez vodné koleso, iba v takom prípade sa kruhový pohyb vodného kolesa prevedie na pohyb pílového kotúča tam a späť cez tyč známu ako „rameno Pitmana“. Pílne poháňané vodnou energiou boli schopné produkovať drevo z guľatiny rýchlejšie a efektívnejšie ako manuálna práca. Z tohto dôvodu zostali bežné až do amerického koloniálneho obdobia, kým nebol proces napájaný elektricky.
Aplikácia vodných mlynov na výrobu textilu sa začala v stredovekom Francúzsku v priebehu 11. storočia. Tieto valcovacie stolice využívali pohyb vodného kolesa na zdvíhanie drevených kladív (známych ako valcovacie pažby), ktoré narážali na látku. Bavlnené mlyny využívali rotačný pohyb kolesa na „mykanie“ surovej bavlny (lámanie a usporadúvanie surových zhlukov bavlny do vlny) a na tkanie súkna a hotovej vlny.
Vodné mlyny sa stále používajú na spracovanie obilia v celom rozvojovom svete. Obzvlášť rozšírené sú na celom vidieku v Indii a Nepále. Aj keď dostupnosť lacnej elektriny na začiatku 20. storočia spôsobila, že vodné mlyny boli prakticky zastarané, niektoré historické vodné mlyny naďalej fungujú v USA. Okrem toho boli niektoré vodné mlyny dodatočne vybavené na výrobu čistej vodnej elektrickej energie vo Veľkej Británii. Aj keď tieto generujú podstatne menej energie ako veľké vodné elektrárne, majú výhodu v tom, že nepotrebujú prehradenie veľkých riek.
