以水具有的重力勢能轉變成動能的水沖水輪機，水輪機即開始轉動，若我們將發電機連線到水輪機，則發電機即可開始發電。如果我們將水位提高來沖水輪機，可發現水輪機轉速增加。因此可知水位差愈大則水輪機所得動能愈大，可轉換之電能愈高。這就是水力發電的基本原理。

能量轉化過程是：上游水的重力勢能轉化為水流的動能，水流透過水輪機時將動能傳遞給汽輪機，水輪機帶動發電機轉動將動能轉化為電能。因此是機械能轉化為電能的過程。

由於水電站自然條件的不同，水輪發電機組的容量和轉速的變化範圍很大。通常小型水輪發電機和衝擊式水輪機驅動的高速水輪發電機多采用臥式結構，而大、中型代速發電機多采用立式結構。由於水電站多數處在遠離城市的地方，通常需要經過較長輸電線路向負載供電，因此，電力系統對水輪發電機的執行穩定性提出了較高的要求：電機引數需要仔細選擇；對轉子的轉動慣量要求較大。所以，水輪發電機的外型與汽輪發電機不同，它的轉子直徑大而長度短。水輪發電機組起動、併網所需時間較短,執行排程靈活,它除了一般發電以外，特別適宜於作為調峰機組和事故備用機組。