河流中水之所以能够流动，其原因是水的重力势能转换为了水的动能。而水电站可以利用这两种形式的能量（重力势能和动能）进行发电，其效率高达97%。
水能
当太阳光照射到水面或者湿润的地表时，太阳的辐射能会将水蒸发，由于地球大部分的区域由海洋覆盖着，因此太阳光辐射蒸发水的现象多半发生在海洋区域；而潮湿的热空气在大气层被冷却，形成云朵；之后在海洋或是陆地形成降雨，这就是一个完整的地球水循环过程。由于重力的作用，降落在陆地的雨水最终都经小溪或者河流重新流回大海。
在设计建造水电站时，会根据水的落差高度和水流量选择不同的水轮机，一般有横流式、法兰西斯式、卡布兰式、佩尔顿式这几种不同的水轮机。而水轮机都被设计的极为扎实，要能够经受承污染物，洪水和霜冻的考验，一般设计的使用年限都超过50年。
而水利发电厂又可以细分为穿流式水利发电厂、水库式水力发电厂和抽水蓄能式水力发电厂。目前为止所有的水力发电厂都必须达到最小落差高度，也就是进水和出水的高度必须有所不同。