Vattenkvarnar utnyttjar kinetisk energi från rörliga vattendrag (vanligtvis floder eller vattendrag) för att driva maskiner och generera elektricitet. Vattnets rörelse driver vattenhjulet, vilket i sin tur driver en mekanisk process i själva bruket. Den vanligaste mekaniska processen som historiskt är förknippad med vattenkvarnar är slipning av korn till mjöl. Det användes ursprungligen för detta ändamål i det antika Grekland och fortsätter att användas på detta sätt idag. Andra vanliga industriella tillämpningar av vattenkvarnar inkluderar textiltillverkning och sågverk.
Den vanligaste användningen av vattenkvarnar historiskt och i dagens utvecklingsländer är att mala korn till mjöl. Dessa kallas gristmills, majsbruk eller mjölverk. Tidig hjuldesign i antika Grekland och Rom använde horisontella paddlar som kallades norrhjul. Padden fästs via en axel till en löpsten som slipar mot en fast "säng" -sten. Brittiska och amerikanska gristmills fungerar på liknande sätt, men hjulet är monterat vertikalt.
Den tidigast kända användningen av sågverk inträffade i det östra romerska riket under senare hälften av tredje århundradet och fortsatte att användas från medeltiden till industrialisering. Vattendrivna sågverk var också vanliga bland den forntida islamiska världen. Som med andra vattenkvarnar utnyttjar sågverk kinetisk energi från att flytta vatten genom ett vattenhjul, bara i detta fall översätts vattenhjulets cirkelrörelse till fram och tillbaka rörelse av ett sågblad genom en stång som kallas en "pitmanarm". Sågverk som drivs av vattenkraft kunde producera timmer från vedar snabbare och mer effektivt än manuellt arbete. Av denna anledning fortsatte de att vara vanliga långt in i den amerikanska kolonitiden tills processen blev eldriven.
Tillämpningen av vattenbruk vid produktion av textilier började i medeltida Frankrike under 11-talet. Dessa fyllningsverk använde vattenhjulets rörelse för att lyfta trähammare (så kallade fyllningslager) som slog ner på tyg. Bomullsbruk brukade hjulets roterande rörelse för att "korta" rå bomull (bryta upp och organisera råa bomullsklumpar i ull) och för att väva tyg och färdig ull.
Vattenkvarnar används fortfarande för bearbetning av spannmål i hela utvecklingsländerna. De är särskilt vanliga i hela Indien och Nepal. Även om tillgången på billig el i början av 1900-talet gjorde att vattenkvarnar nästan var föråldrade, fortsätter vissa historiska vattenkvarnar att fungera i USA. Dessutom har vissa vattenkvarnar eftermonterats för att producera ren vattenkraft i Storbritannien. Även om dessa genererar betydligt mindre kraft än stora vattenkraftverk, har de fördelen att det inte är nödvändigt att dämpa stora floder.