Vodni mlini izkoriščajo kinetično energijo iz premikajočih se vodnih teles (običajno rek ali potokov) za pogon strojev in proizvodnjo električne energije. Gibanje vode poganja vodno kolo, ki nato poganja mehanski postopek znotraj samega mlina. Najpogostejši mehanični postopek, ki je bil v preteklosti povezan z vodnimi mlini, je mletje zrn v moko. Prvotno so ga v ta namen uporabljali v starodavni Grčiji in ga še danes uporabljajo. Druge pogoste industrijske namene vodnih mlinov vključujejo proizvodnjo tekstila in žage.
V preteklosti in sodobnih državah v razvoju se najpogosteje uporabljajo vodni mlini za mletje zrn v moko. Ti se imenujejo mlini, mlini za koruzo ali mlini za moko. Zgodnje oblikovanje koles v starodavni Grčiji in Rimu je uporabljalo vodoravna vesla, ki so jih imenovali nordijska kolesa. Veslo je prek gredi pritrjeno na vodilni kamen, ki se brusi ob fiksni "posteljni" kamen. Britanski in ameriški mlini delujejo na podoben način, vendar je kolo nameščeno navpično.
Najzgodnejša uporaba žag se je zgodila v vzhodnem rimskem cesarstvu v drugi polovici tretjega stoletja in se je še naprej uporabljala od srednjeveškega obdobja do industrializacije. V starodavnem islamskem svetu so bile pogoste tudi žage na vodni pogon. Tako kot pri drugih vodnih mlinih so tudi pri žagah mlini izkoriščali kinetično energijo iz vode, ki se premika skozi vodno kolo, le v tem primeru se krožno gibanje vodnega kolesa prevede v gibanje žaginega lista naprej in nazaj skozi palico, znano kot "pitman arm". Žage, ki jih poganjajo hidroelektrarne, so lahko hitreje in učinkoviteje proizvajale les iz hlodov ročno delo. Iz tega razloga so bili še naprej običajni tudi v ameriškem kolonialnem obdobju, dokler se postopek ni začel poganjati električno.
Uporaba vodnih mlinov za proizvodnjo tekstila se je začela v srednjeveški Franciji v 11. stoletju. Ti mlini za polnjenje so uporabljali gibanje vodnega kolesa za dvigovanje lesenih kladiv (znanih kot polnila), ki so udarjali po tkanini. Bombaški mlini so vrtenje koles uporabljali za "kartanje" surovega bombaža (razbijanje in organiziranje surovih grud bombaža v volno) ter za tkanje blaga in končne volne.
Vodni mlini se še vedno uporabljajo za predelavo žita po vsem svetu v razvoju. Posebej so razširjeni po podeželski Indiji in Nepalu. Čeprav so zaradi poceni električne energije v začetku 20. stoletja vodni mlini skorajda zastareli, nekateri zgodovinski vodni mlini še naprej delujejo v ZDA. Poleg tega so nekateri vodni mlini v Združenem kraljestvu naknadno opremljeni za proizvodnjo čiste, hidro-električne energije. Te sicer proizvajajo bistveno manj energije kot velike hidroelektrarne, vendar imajo prednost, da ni treba zajeziti velikih rek.