Najważniejszym procesem stanowiącym podstawę dla pozyskiwania energii jest tak zwany cykl wodny. Składa się on z trzech etapów. Najpierw słońce podgrzewa wodę na powierzchni rzek, jezior i oceanów, co powoduje jej parowanie. Para wodna skrapla się w chmury i spada jako deszcz lub śnieg. Opady gromadzą się w strumieniach i rzekach, które wpadają do oceanów i jezior, gdzie odparowują i cykl zaczyna się od nowa. Ilość opadów, które spływają do rzek i strumieni na danym obszarze geograficznym, określa ilość dostępnej wody.

Największą zaporą wodną na świecie pod względem produkcji energii elektrycznej jest Tama Trzech Przełomów nad rzeką Jangcy w Chinach. Zapora ma 2.335 metrów długości i 185 metrów wysokości i ma wystarczająco dużo generatorów, aby wytworzyć 22.500 megawatów mocy.

Energia wodna była wykorzystywana od czasów starożytnych. Ponad 2000 lat temu Grecy używali płynącej wody do obracania kół młyńskich. W Chinach w okresie panowania dynastii Han, czyli między 202 r. p.n.e. a 9 r. n.e., młoty udarowe napędzane pionowym kołem wodnym były używane do tłuczenia i łuskania ziarna, kruszenia rudy oraz we wczesnej produkcji papieru. W średniowiecznej Europie zaczęto wykorzystywać koła wodne do napędzania tartaków, papierni czy do rozkruszania skał.

Kolejny przełom nastąpił w latach 70-tych XVIII wieku. Jednym z pierwszych aktów rewolucji przemysłowej było założenie przędzalni bawełny w Cromford Mill w Anglii. Jako źródła energii Richard Arkwright użył właśnie młyna wodnego, zaś niemal równolegle francuski inżynier Bernard Forest de Bélidor opublikował pracę „Architecture Hydraulique”, w którym opisał maszyny hydrauliczne o pionowej i poziomej osi.

W latach 40. XIX wieku opracowano sieć hydrauliczną w celu generowania i przesyłania energii wodnej do użytkowników końcowych. Pod koniec XIX wieku opracowano generator elektryczny, który można było teraz łączyć z hydrauliką. W 1878 roku William Armstrong opracował pierwszy na świecie system elektrowni wodnej w Cragside w Anglii. Służył on do zasilania pojedynczej lampy łukowej w jego galerii sztuki.

Elektrownie wodne wykorzystują siłę wody spadającej między dwoma punktami znajdującymi się na różnych wysokościach do wytwarzania energii elektrycznej. Działanie całej instalacji opiera się na wykorzystaniu siły grawitacji i masy wody za pomocą szeregu elementów mechanicznych, które pochłoną ten potencjał w celu jego konwersji na energię.

Zatrzymana w zbiorniku woda krąży wewnątrz obwodów hydraulicznych zapory, niwelując różnicę poziomów między dwoma punktami. Ten sztuczny wodospad pozwala cieczy na uzyskanie prędkości, która jest przenoszona w postaci energii kinetycznej do turbin znajdujących się w najniższym punkcie infrastruktury. W ten sposób woda krąży przez turbinę, która przyspiesza swój obrót, generując energię mechaniczną. Ta zaś jest przenoszona do generatora elektrycznego w celu konwersji na energię elektryczną.

Cały ten proces osiąga również wyjątkową wydajność, w której około 90 proc. potencjalnej energii wody jest wykorzystywane do wytwarzania prąd, generując jedynie straty wydajności w obciążeniu obwodu hydraulicznego i w procesie tarcia turbin.

Tuż przed wylaniem się przez szczyt tamy lub spłynięciem w dół wzgórza woda zyskuje energię potencjalną. Jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy woda spływa w dół. Żeby wykorzystać to zjawisko do generowania prądu, elektrownia wodna potrzebuje kilku elementów – zapory, zbiornika, śluz, turbin oraz generatorów.

Zapory najczęściej wykonuje się z betonu. Podnoszą poziom wody w rzece i pozwalają na utworzenie zbiornika, który jest w rzeczywistości zmagazynowaną energią. To właśnie w nim zbiera strumień dopływowy. Kontrola przepływu wody jest dokonywana przez śluzy, czyli ruchome elementy, które otwierają się i zamykają.

Energia kinetyczna spadającej wody jest zamieniana na mechaniczną w momencie, gdy spadając naciska na łopatki turbiny, powodując, że ta się obraca. By zaś energię mechaniczną przekształcić na elektryczną, konieczne są generatory, połączone z turbiną za pomocą wałów i przekładni, tak aby gdy również mogły się obracać.

Ilość prądu wytwarzanego przez elektrownię wodną zależy od dwóch czynników: z jakiej wysokości spada woda i jak dużo jej jest. Oba te czynniki zmieniają potencjał energetyczny cieczy.

Im dalej spada woda, tym większą ma energię. Jako, że zasadniczo odległość ta zależy od wielkości zapory, to im wyższa tama, tym dalej spada woda i tym większą ma moc – jest ona wprost proporcjonalna do odległości. Oznacza to, że spadająca dwa razy dalej, ma dwa razy więcej energii.

Moc również będzie większa im więcej wody spada przez turbinę. To zależy jedynie od wielkości rzeki. Większe mają więcej płynącej wody i mogą przez to produkować więcej energii. Uzyskiwana w ten sposób moc jest również wprost proporcjonalna. Rzeka z dwukrotnie większą ilością płynącej wody niż inna może więc produkować dwukrotnie więcej energii.