把天然水流蘊藏的力學能轉換成電能的發電方式。是水能利用的主要形式。天然水流所蘊藏的力學能稱為水力資源，是人類可以利用的重要能源之一。在自然狀態下，河川水流的這種潛在能量以克服摩擦、沖刷河床、挾帶泥沙等形式消耗掉。興建水電站可利用這部分能量。1878年在德國建成世界上第一座水電站。此後，1880年製成瞭衝擊式水輪機，1918年製成瞭軸流式轉槳水輪機，1957年製成瞭斜流式水輪機，並開始出現可逆式抽水蓄能機組。尤其是在第二次世界大戰以後，隨著機械製造業和超高壓壓輸電技術的發展，世界各國的水力資源得到大力開發。80年代最大的水輪發電機的單機容量已超過瞭70萬千瓦，最大的水電站裝機容量已達1050萬千瓦。
原理及特點 由於天然水流有著明顯的季節性，而大量的電能又是無法貯存的，因此，開發河川水電一般都必須首先把天然河川水流的潛在能量蓄集起來，然後再根據用電需要對其進行時間上的再分配。另外，也隻有把河川水流的能量蓄集起來，才便於完成水能到電能的集中轉換，如圖所示。
河面上A、B兩點的水位差
H稱為河段Ⅰ～Ⅱ的落差。如在Ⅱ斷面附近築壩攔水並興建電站，則Ⅰ～Ⅱ河段的落差就被集中到電站附近。這一集中的落差稱為水電站的水頭，其物理意義為電站上、下遊單位質量水體的勢能差。它由河川水流的動能轉換而來。通過壓力水管向
水輪發電機組供水，水輪機接收水流的能量並將其轉變成自身旋轉的機械能，然後再帶動
發電機旋轉，完成力學能到電能的轉換。當供水量為
Q米
3/秒），水的密度為
ρ≈1000千克／米
3，考慮到102千克力·米/秒＝1千瓦，則水輪發電機組的輸入功率為：
N
h=9.81
Q
H（千瓦）。由於在整個能量轉換過程中不可避免地存在著各種能量損失，因此水電站的輸出功率
N最後可按下式估算：
N=9.81QHη（千瓦）
上式稱為水力發電或水能利用基本方程式。式中 η為水力發電的效率。大型水電站 η高達90％以上。水力發電有如下特點。
①能源的再生性。由於水流按照一定的水文周期不斷循環，從不間斷，因此水力資源是一種再生能源。所以水力發電的能源供應隻有豐水年份和枯水年份的差別，而不會出現能源枯竭問題。但當遇到特別的枯水年份，水電站的正常供電可能會因能源供應不足而遭到破壞，出力大為降低。
②發電成本低。水力發電隻是利用水流所攜帶的能量，無需再消耗其他動力資源。而且上一級電站使用過的水流仍可為下一級電站利用。另外，由於水電站的設備比較簡單，其檢修、維護費用也較同容量的火電廠低得多。如計及燃料消耗在內，火電廠的年運行費用約為同容量水電站的10倍至15倍。因此水力發電的成本較低，可以提供廉價的電能。
③高效而靈活。水力發電主要動力設備的水輪發電機組，不僅效率較高而且啟動、操作靈活。它可以在幾分鐘內從靜止狀態迅速啟動投入運行；在幾秒鐘內完成增減負荷的任務，適應電力負荷變化的需要，而且不會造成能源損失。因此，利用水電承擔電力系統的調峰、調頻、負荷備用和事故備用等任務，可以提高整個系統的經濟效益。
④工程效益的綜合性。由於築壩攔水形成瞭水面遼闊的人工湖泊，控制瞭水流，因此興建水電站一般都兼有防洪、灌溉、航運、給水以及旅遊等多種效益。另一方面，建設水電站後，也可能出現泥沙淤積，淹沒良田、森林和古跡等文化設施，庫區附近可能造成疾病傳染，建設大壩還可能影響魚類的生活和繁衍，庫區周圍地下水位大大提高會對其邊緣的果樹、作物生長產生不良影響。大型水電站建設還可能影響流域的氣候，導致幹旱或洪水。特別是大型水庫有誘發地震的可能。因此在地震活動地區興建大型水電站必須對壩體、壩肩及兩岸巖石的抗震能力進行研究和模擬試驗，予以充分論證。這些都是水電開發所要研究的問題。
⑤一次性投資大。興建水電站土石方和混凝土工程巨大；而且會造成相當大的淹沒損失，須支付巨額移民安置費用；工期也較火電廠建設為長，影響建設資金周轉。即使由各受益部門分攤水利工程的部分投資，水電的單位千瓦投資也比火電高出很多。但在以後運行中，年運行費的節省逐年抵償。最大允許抵償年限與國傢的發展水平和能源政策有關。抵償年限小於允許值則認為增加水電站的裝機容量是合理的。
分類與組成 集中河流落差的方法稱為水能開發方式或水電站開發方式。水電站按開發方式分為下列3種基本類型。①堤壩式電站：利用築壩壅水集中河流落差，形成電站水頭。②引水式水電站：當河道坡降較大時，利用沿河岸興建的坡降較緩的引水渠道或隧洞引水，經過一段距離後，引水渠或隧洞出口與原河道之間就集中瞭一定落差，以此造成水電站的水頭。③混合式電站：電站的一部分水頭靠築壩壅水形成，另一部分水頭靠引水渠道或引水隧洞形成。
通過水庫的調蓄，對天然來水在時間上進行重新分配稱為河川徑流調節。按照調節方式和調節能力又可將水力發電站分為以下5種類型。①徑流式水電站：又稱無調節電站。電站的出力完全取決於河川徑流量的大小，對天然水流（河川徑流）無調節能力。為瞭充分發揮設備的效益，徑流式水電站多在負荷曲線的基荷部分工作。②日調節電站：把一天之內大部分時段的來水量蓄存起來供負荷緊張時應用，24小時完成一個循環。③周調節電站：把每周休息日的來水量蓄存起來分配到其他各工作日使用，一周完成一個循環。④年調節電站：把豐水季節的多餘水量蓄存下來供枯水季節使用，一年完成一個循環。⑤多年調節電站：把豐水年的多餘水量蓄存下來分配到枯水年使用，其循環周期是不固定的，往往長達多年。具有多年調節能力的電站同時也可進行年調節、周調節和日調節。
此外，水力發電還包括潮汐能發電（見潮汐電站）、波浪能發電（見海洋能電站）和抽水蓄能發電（見抽水蓄能電站）等幾種特殊開發方式。
各類水電站均由水工建築物、廠房、發電動力裝置、電工一次系統、電工二次系統等組成（見水電站）。這些組成部分中大壩是主要的壅水建築，它攔蓄水流，形成發電用水庫，以儲存水能，供發電用。其他組成部分都圍繞主廠房配置，完成電能的安全、正常生產和輸出。