Nápad využívat energie vody se zrodil v hlavách již našim dávným předkům, kteří začali konstruovat různá důmyslná zařízení, jako je například vodní kolo.
Dlouhodobou snahou zlepšit provozní vlastnosti a účinnost vodních kol se jako výsledek vědeckého bádání a přesných výpočtů zrodily vodní turbíny. Už na přelomu 60. a 70. let 16. století doporučil Jacques Besson, snad na podkladě studií Leonarda da Vinci, používání šroubových lopatek kola uzavřeného ve zděné kašně a tím otevřel cestu k budoucímu vývoji turbín. O první skutečné turbíně však můžeme hovořit až roku 1826, kdy francouzský inženýr C. Bourdin sestrojil rotační vodní motor a nazval jej turbínou (latinsky turbo = kroužiti). Ve vývoji pak pokračovala celá řada Bourdinových nástupců.
Dnes jsou vodní turbíny technicky nejdokonalejší mechanické motory vůbec - dosahují až 95% účinnosti a jejich provoz je přitom ekologicky zcela čistý. Nejvýkonnější soustrojí na světě s výkonem 836 MW bylo instalováno roku 1998 v Grand Coulle Dam (USA).
Jednu z prvních vodních elektráren postavil T. A. Edison roku 1882 v Appletonu a krátce na to pod Niagarskými vodopády. Ještě před koncem 19. století provozovali "hydroelektrárnu" v podskalském mlýně u Písku, kde vodní kolo pohánělo tři dynama. Také v Praze existovaly na začátku 20. století dokonce dvě vodní elektrárny - na Těšnově a na Štvanici. Těšnovská byla roku 1929 zrušena, ale štvanická je po rekonstrukci v provozuschopném stavu dodnes.
Tradiční zemí vodních elektráren je Švýcarsko. V Norsku díky vhodným přírodním podmínkám pokrývá elektřina z vodních elektráren přes 90% spotřeby. Velké vodní elektrárny vyrostly už před 2. světovou válkou v USA, například Grand Coulee na řece Columbii nebo Boulder-Dam se 17 turbogenerátory. Velká hydroenergetická díla najdeme i v Jižní Americe (Itaipu Binational na hranicích Brazílie a Paraguaye - 12 600 MW). Mohutné hydroelektrárny - Dněproges, soustavy na Volze, vodní díla na Sibiři - byly postaveny v bývalém Sovětském svazu. Roku 2009 má být dokončena od roku 1996 budovaná největší hydroelektrárna světa Tři rokle na řece Jang-c´-Tiang v Číně o výkonu 18 200 MW. V České republice mají největší význam elektrárny na vltavské kaskádě.
Vedle turbín jsou základním prvkem vodní elektrárny generátory přeměňující mechanickou energii otáčení turbín na energii elektrickou. Aby vyráběný elektrický proud měl požadovaný stálý kmitočet 50 Hz, musí se generátor otáčet konstantními otáčkami. Při přetížení sítě však otáčky generátoru klesají a je třeba je, a to velice rychle, zvýšit zvětšením průtoku vody v turbíně. Proto v principu jednoduché propojení turbína-alternátor musí být vybaveno poměrně náročným systémem regulačních prvků - snímači, regulátory a dalšími pomocnými zařízeními.
Všechny vodní elektrárny využívají především polohový energetický potenciál vody.
U říčních elektráren se soustředění spádu vody většinou zajišťuje stavbou jezu, který vzdouvá vodu. Bývají nízkotlaké (se spádem okolo 15 m) a pracují průběžně 24 hodin denně. Říční přehradové elektrárny patří většinou mezi středotlaké (se spádem mezi 15 až 100 m). Jsou buď pološpičkové (pracují 8 až 12 h denně), nebo špičkové (2 až 8 h denně), takže vykrývají období nejvyšší denní spotřeby. Špičkové bývají také derivační elektrárny, ke kterým je přiváděna voda často z větší vzdálenosti šachtami, štolami nebo tlakovými trubními přivaděči pro zvýšení vodního spádu.
Tyto elektrárny mají výše položenou vodní nádrž, do které je voda čerpána v době nadbytku elektrické energie (většinou v noci). Naopak v době špičkové spotřeby je voda z horní nádrže vypouštěna přes lopatky turbín a vyrábí proud. Na každou akumulovanou kWh, kterou z přečerpávací elektrárny odebíráme, je nutné k načerpání vody do horní nádrže vynaložit asi 1,4 kWh. Ke stabilizaci elektrické sítě jsou přečerpávací elektrárny v podstatě nezastupitelné. Dají se spustit na plný výkon takřka okamžitě a velmi efektivně regulovat i v případě náhlého výpadku velké tepelné elektrárny.
V České republice jsou moderními přečerpávacími elektrárnami např. Dalešice (450 MW) či Dlouhé Stráně (650 MW). Největší přečerpávací elektrárna světa Dirnowic v severním Walesu je vestavěna hluboko ve skále a při spádu 534 m je schopna během 16 s dodávat výkon 1 800 MW.
Přitažlivostí Měsíce a Slunce dochází na Zemi k pravidelnému zvedání a klesání mořské vody, zvanému příliv a odliv. Hladina moří střídavě klesá a stoupá přibližně v intervalu 12,5 hodiny. Průměrný rozdíl hladin přílivu a odlivu je asi jen 0,5 m, ale existují místa (vlivem tvaru pobřeží), kde dosahuje až 19 m.
Z mořského přílivu a odlivu lze prakticky získat jen 1/3 energie všech řek. Přesto, že energie přílivu a odlivu dosud nemá velké využití, má dlouhou tradici. Ve Francii, Itálii, Anglii a ve Skotsku poháněla voda přílivu a odlivu mlýny na pobřeží už ve 13. století.
Za nejstarší přílivovou elektrárnu se považuje anglická Dee Hydro Station v Cheshire o výkonu přes 600 kW postavená roku 1913. Další přílivová elektrárna se začala budovat v USA v roce 1935, ale nebyla nakonec z ekonomických důvodů dokončena.
Nejznámější současná přílivová elektrárna vyrostla v 60. letech ve Francii, v ústí řeky Rance na severním pobřeží Bretaně, kde rozdíl hladin mezi přílivem a odlivem dosahuje až 13,5 m. Ústí řeky bylo přehrazeno v šířce asi 750 m hrází o výšce 25 m ode dna moře. V hrázi bylo instalováno 24 turbín. Celkový výkon elektrárny je 240 MW a roční výroba elektrického proudu asi 550 GWH. Turbíny pracují v obou směrech proudění vody (tedy při odlivu i přílivu), navíc se dají využít v reverzním chodu jako čerpadla. Investiční náklady na výstavbu této elektrárny byly ovšem třikrát vyšší, než je běžné u odpovídajících elektráren na vodním toku.
V roce 1984 byla do provozu uvedena kanadsko-americká přílivová elektrárna v zálivu Fundy Bay s jediným soustrojím o výkonu 20 MW.
Další typ energie pocházející z moří je kombinací vodní a větrné energie. Energie mořského vlnění je nesmírná - délkový metr větší mořské vlny nese výkon kolem 80 kW. Bohužel je však zároveň velmi nestálá a nepravidelná. Její využití je však přesto velmi lákavé a existují stovky konstrukcí snažících se o její ovládnutí. Praktických výsledků ale dosáhlo jen několik.
