水力发电利用的是把水的势能（水位的高度差引起的）和水的动能（速度引起的）转换成电能的。水轮发电机组主要由水轮机和发电机构成，前者的作用是把水的势能和动能转化成旋转机械能，是原动机；后者的作用是把旋转机械能转换成电能。两者通过主轴连接。发电机输出功率的大小由水轮机决定，而水轮机的输出功率则与引入流量和水头（上下游水位的高程差）成正比，流量越大或是水头越大或是两者都大，水轮机的输出功率也就越大。
在工程实际中，不同的河流，不同的地区，流量或是水头是不一样的，也就是说要么满足流量，要么满足水头，当然要兼顾二者。
当该地区河流落差不是很大的情况下，就只能尽量增加进入水轮机的流量来保证设计的输出功率了，这就要求水轮机的流道尺寸要大，单位时间进入水轮机的水要多，所以就产生了贯流式水轮机，顾名思义，水流的方向是沿着机组轴线方向贯穿其中的，又称为灯泡式机组。这类机型非常适合于水头很低（2~10米）的河床式电站，且单机容量一般在几万千瓦以下。
当水头在10~40米范围时，贯流式机组单机容量已经不能满足要求了，这就产生了轴流式水轮机，即水轮机的外形长得像轮船的螺旋桨，这种水轮机的轴是竖直的，故称为立轴式水轮机，水流进入叶片和流出叶片的方向都是顺着主轴的轴线方向的，故称为轴流式。整个机组的布置形式也是立着的！根据桨叶能否转动，又分为轴流转浆式和轴流定浆式水轮机，目前，绝大多数是轴流转浆式水轮机，单机容量从几万千瓦到20万千万不等。
当水头范围在30~300米左右范围时，轴流式水轮机已经不实用了（机械强度等不能满足要求），水轮机就变成混流式或斜流式的了，水流在进入叶片前是沿着圆周方向，流出叶片后是沿着轴线方向的，故称为混流式。混流式水轮机的叶片是固定的。当机组功率小于5000kw（数值不确定）时，一般设计为卧轴形式，即主轴是水平的，这种一般适用于小水电。当机组功率大于500kw时（数值不确定），机组就要设计成立轴形式的，以满足强度及检修需要。立轴混流式水轮发电机组单机容量从几千千瓦到80万千瓦（现在正在设计单机100万千瓦的）不等，是当今应用范围最广、技术条件最成熟的水轮机。
当水头达到200~500米或更高时，这时主要利用的是水的动能冲转水轮机，水流是从喷嘴喷出的，这叫做冲击式水轮机。这种水轮机单机容量一般在几万千瓦以下，布置形式可以是立轴的，或是卧轴的。
为了适应现代电网发展的需求，最近几十年又产生了水泵水轮机，即抽水蓄能水轮机，该水轮机在外型上和混流式差不多。水泵水轮机既可以做水轮机用来发电，也可以做水泵用来抽水，一般是立轴式的。单机容量一般从几万千瓦到几十万千瓦不等。
