โรงสีน้ำใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์จากแหล่งน้ำที่เคลื่อนที่ (โดยปกติคือแม่น้ำหรือลำธาร) เพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรและผลิตกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของน้ำเป็นตัวขับเคลื่อนกังหันน้ำ ซึ่งจะให้พลังงานแก่กระบวนการทางกลภายในโรงสีด้วยตัวมันเอง กระบวนการทางกลที่พบบ่อยที่สุดในอดีตที่เกี่ยวข้องกับโรงสีน้ำคือการบดเมล็ดพืชให้เป็นแป้ง เดิมใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ในสมัยกรีกโบราณและยังคงใช้ในลักษณะนี้ในปัจจุบัน การใช้งานในอุตสาหกรรมอื่นๆ ของโรงสีน้ำ ได้แก่ การผลิตสิ่งทอและโรงเลื่อย
โรงสีน้ำที่ใช้กันมากที่สุดในอดีตและในประเทศกำลังพัฒนาในปัจจุบันคือการบดเมล็ดพืชให้เป็นแป้ง เหล่านี้เรียกว่าโรงสีโรงสี โรงสีข้าวโพด หรือโรงโม่แป้ง การออกแบบวงล้อในยุคแรกในกรีกและโรมโบราณใช้ไม้พายแนวนอนที่เรียกว่าล้อนอร์ส ไม้พายติดกับเพลากับหินวิ่งที่บดกับหิน "เตียง" ที่ตายตัว เครื่องบดแบบอังกฤษและอเมริกาทำงานในลักษณะเดียวกัน แต่ล้อจะติดตั้งในแนวตั้ง
การใช้โรงเลื่อยที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักเกิดขึ้นในจักรวรรดิโรมันตะวันออกในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 3 และยังคงใช้ต่อไปตั้งแต่ยุคกลางจนถึงการพัฒนาอุตสาหกรรม โรงเลื่อยไฟฟ้าพลังน้ำเป็นเรื่องธรรมดาในโลกอิสลามโบราณ เช่นเดียวกับโรงสีน้ำอื่นๆ โรงเลื่อยใช้พลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านกังหันน้ำ ในกรณีนี้ การเคลื่อนที่เป็นวงกลมของกังหันน้ำจะถูกแปลเป็น การเคลื่อนไหวไปมาของใบเลื่อยผ่านแกนที่เรียกว่า "แขนพิตแมน" โรงเลื่อยที่ขับเคลื่อนด้วยพลังน้ำสามารถผลิตไม้ซุงจากท่อนซุงได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากกว่า แรงงานคน ด้วยเหตุผลนี้เอง พวกเขาจึงยังคงพบเห็นได้ทั่วไปในยุคอาณานิคมของอเมริกา จนกระทั่งกระบวนการนี้ถูกขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
การประยุกต์ใช้โรงสีน้ำในการผลิตสิ่งทอเริ่มขึ้นในยุคกลางของฝรั่งเศสในช่วงศตวรรษที่ 11 โรงสีฟูลลิ่งเหล่านี้ใช้การเคลื่อนไหวของกงน้ำเพื่อยกค้อนไม้ (เรียกว่าฟูลลิงสต็อค) ที่ทุบลงบนผ้า โรงสีฝ้ายใช้การหมุนของวงล้อเพื่อ "ตอก" ฝ้ายดิบ (สลายและจัดระเบียบกอฝ้ายดิบให้เป็นขนแกะ) และสำหรับการทอผ้าและขนสัตว์สำเร็จรูป
โรงสีน้ำยังคงใช้สำหรับการแปรรูปธัญพืชทั่วโลกกำลังพัฒนา พวกมันแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในชนบทของอินเดียและเนปาล แม้ว่าความพร้อมของไฟฟ้าราคาถูกในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 จะทำให้โรงผลิตน้ำแทบจะล้าสมัย แต่โรงสีน้ำเก่าแก่บางแห่งยังคงเปิดดำเนินการในสหรัฐอเมริกา นอกจากนี้ โรงผลิตน้ำบางแห่งได้รับการติดตั้งเพิ่มเติมเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำที่สะอาดในสหราชอาณาจักร แม้ว่าโรงไฟฟ้าเหล่านี้จะสร้างพลังงานได้น้อยกว่าโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่ แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่ไม่ต้องสร้างเขื่อนในแม่น้ำขนาดใหญ่
