Vesivoimalat voivat muuttaa liikkuvan veden energian käyttökelpoiseksi sähköksi. Tämä saavutetaan yleisimmin patoamalla joki ja ohjaamalla vesi sitten yhden tai useamman turbiinin läpi. Koska vesi saa turbiinit pyörimään, ne puolestaan käyttävät sähkögeneraattoreita. Vaikka jokien patoamisella voi olla vaikutuksia ympäristöön, vesivoimaloita pidetään tyypillisesti puhtaan, uusiutuvan energian ensisijaisena lähteenä. Noin 20% maailman sähköstä tulee vesivoimalaitoksista, mikä tuottaa suurimman osan uusiutuvista lähteistä tuotetusta sähköstä.
Useimmat vesivoimalat ovat osa patoasennuksia, jotka käyttävät ihmisen tekemiä säiliöitä, vaikka vesivoimaan on olemassa useita muita tapoja. Run-of-river -generaattorit toimivat suunnilleen samalla tavalla kuin perinteiset pato- ja säiliögeneraattorit, vaikka niillä on tyypillisesti vähän tai ei lainkaan säiliökapasiteettia. Virtauksen keinotekoisen tukkeutumisen ja korkeuden muutoksen sijasta virtajoen sähköntuotannossa hyödynnetään luonnollista vesivirtaa ja joen ominaisuuksia. Jotta jokijoen voimalaitos tuottaisi tasaista sähköä, joelle, jolle se asennetaan, on tyypillisesti oltava jatkuvasti suuri vesivirta.
Vesiliikenteen generaattorit voivat myös hyödyntää veden liikkumista päivittäisissä vuorovesivirroissa. Tämä saavutetaan yleensä asentamalla vuorovyöhykkeelle turbiinit, jotka toimivat vuoroveden päivittäisen vaihtelun vuoksi. Näihin järjestelmiin on joskus mahdollista rakentaa säiliöitä, mikä mahdollistaa generaattorin lisäkapasiteetin suuren kysynnän tilanteissa.
Toinen tapa lisätä vesivoimalaitoksen kapasiteettia järjestelmään on pumpattu varasto. Tätä järjestelmää voidaan käyttää yhdessä perinteisen patoisen vesivoimalaitoksen kanssa tai itsenäisenä. Aikana, jolloin sähkön tarve alueella on alhainen, vettä voidaan pumpata korkeille säiliöille. Kun kysyntä kasvaa, varastoitua vettä voidaan käyttää generaattorin kapasiteetin lisäämiseen. Nämä pumppujärjestelmät tuottavat loppujen lopuksi vähemmän tehoa kuin säiliöiden täyttämiseen käytetään, mutta pumpattu varasto vesivoiman tuottamiseksi voi olla keskeinen menetelmä verkon energian varastoinnille joillakin alueilla.
Joillakin vesivoimalla voi olla ympäristövaikutuksia, etenkin kun kyseessä ovat suuret patoasennukset. Joidenkin patojen mahdollisesti ei -toivottu seuraus on se, miten ne voivat tehokkaasti kaataa joen ekosysteemin. Vaikka jotkut patot sisältävät kalatikkaita, joiden avulla tietyt lajit voivat kulkea ylävirtaan kutemaan, muut kalat eivät ehkä pysty hyödyntämään niitä. Tämä voi häiritä joidenkin lajien elinkaarta tai vähentää joidenkin populaatioiden biologista monimuotoisuutta.
Patoilla voi olla myös myönteisiä vaikutuksia, kuten tulvien torjunta ja luotettava kastelulähde. Säiliöitä voidaan käyttää myös vesiviljelyyn ja virkistyskäyttöön. Toisin kuin useimmat sähköntuotantotavat, vesivoimalat eivät tuota kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia (CO2). Generaattoreiden rakenteeseen saattaa muodostua jonkin verran hiilidioksidia ja muita epäpuhtauksia, vaikka ne ovat tyypillisesti erittäin puhtaita käytön jälkeen.