Эксперименты по изучению механики реактивных колес, проведенные швейцарским математиком Леонгардом Эйлером и его сыном Альбертом в 1750-х годах, нашли применение примерно 75 лет спустя. В 1826 году Жан-Виктор Понселе из Франции предложил идею радиальной турбины с внутренним потоком, которая стала прямым предшественником современной водяной турбины. Эта машина имела вертикальный шпиндель и бегун с изогнутыми лопастями, который был полностью закрыт. Вода поступала радиально внутрь и вытекала вниз под шпинделем.
Подобная машина была запатентована в 1838 году Сэмюэлем Б. Хаудом из США и впоследствии построена. Конструкция Хауда была усовершенствована Джеймсом Б. Фрэнсисом, который добавил стационарные направляющие лопатки и придал лопаткам форму, чтобы вода могла входить в них под правильным углом. Его конструкция, получившая название «турбина Фрэнсиса» (см. выше), до сих пор наиболее широко используется для средних напоров. Улучшить управление предложил Джеймс Томсон, шотландский инженер, который добавил соединенные и поворачивающиеся изогнутые направляющие лопатки, чтобы обеспечить правильное направление потока даже при частичной нагрузке.
Турбина с радиальным выходящим потоком была предложена в 1824 году французским профессором инженерного дела Клодом Бурдином и его бывшим студентом Бенуа Фурнейроном. Это устройство имело вертикальную ось, несущую бегун с изогнутыми лопатками, через которые вода выходила почти по касательной. Неподвижные направляющие лопасти, изогнутые в противоположном направлении, были установлены в кольце внутри бегуна. К сожалению, конструкция затрудняла поддержку бегуна и отбор мощности с турбинного колеса. Первая успешная версия турбины была построена Фурнироном в 1827 году. Впоследствии было построено более 100 таких машин по всему миру; они достигали КПД до 75 процентов при полной нагрузке и напоре до 107 метров. В 1844 году Урия А. Бойден добавил выпускной диффузор для рекуперации части кинетической энергии, выходящей из устройства, и тем самым еще больше повысил эффективность. Однако турбины с внешним потоком нестабильны по своей природе, и регулирование скорости затруднено. Кроме того, конструкция турбин с внешним потоком очень сложна по сравнению с турбинами типа Френсиса, что в итоге привело к их вытеснению последними.
Турбины Френсиса были дополнены разработкой колеса Пелтона (1889) для малых расходов и больших напоров и пропеллерными турбинами, впервые созданными Капланом в 1913 году, для больших расходов при малых напорах. Пропеллерная турбина Каплана с переменным шагом, которая до сих пор носит его имя, была изготовлена после 1920 года. Эти агрегаты вместе с турбиной смешанного потока Дериаза (изобретена в 1956 году) составляют арсенал современных гидротурбин.
К середине XIX века водяные турбины широко использовались для привода лесопилок и оборудования текстильных фабрик, часто с помощью сложной системы шестерен, валов и шкивов. Однако после широкого распространения парового двигателя они не стали основным фактором в производстве электроэнергии, пока появление электрогенератора не сделало возможным использование гидроэлектроэнергии.
Первая в мире гидроэлектрическая центральная станция была построена в 1882 году в Эпплтоне, штат Висконсин, всего через три года после изобретения Томасом Эдисоном электрической лампочки. Ее мощность в 12,5 киловатт использовалась для освещения двух бумажных фабрик и одного дома. После этого гидроэлектростанции стали быстро развиваться, хотя даже к 1910 году мощность большинства установок составляла от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Установки мощностью более 100 000 киловатт были построены только в 1930-х годах. Одна из первых крупных американских электростанций была установлена на плотине Гувера на реке Колорадо между Невадой и Аризоной. Она начала работать в 1936 году и в итоге включала 17 турбин Фрэнсиса мощностью от 40 000 до 130 000 киловатт, а также два колеса Пелтона мощностью 3 000 киловатт.
Первая насосно-аккумулирующая станция мощностью 1500 киловатт была построена в 1909 году недалеко от Шаффхаузена (Швейцария). В ней использовался отдельный насос и турбина, что привело к созданию относительно большой и едва ли экономичной системы. Первая американская установка, построенная на реке Роки в штате Коннектикут в 1929 году, также была лишь незначительно экономичной. В США основные работы по созданию гидроэлектростанций с насосно-аккумулирующими системами начались в середине 1950-х годов после успешного строительства станции во Флэтайроне, штат Колорадо. Построенная в 1954 году, эта установка была оснащена реверсивно-насосной турбиной мощностью 9 000 киловатт.
В высокоразвитых промышленных странах, таких как США и страны Западной Европы, большинство потенциальных мест для гидроэнергетики уже освоено. Экологические проблемы, связанные с воздействием крупных плотин на верхний бьеф и возможным влиянием на водную флору и фауну, увеличивают вероятность того, что в будущем будет построено лишь несколько крупных гидроэлектростанций.
Примерно с 1940-х до начала 1970-х годов многие небольшие американские гидроэлектростанции (в основном мощностью менее 1000 киловатт) были фактически закрыты, поскольку высокие затраты на обслуживание и надзор делали их нерентабельными по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Несмотря на то, что рост стоимости ископаемого топлива с 1973 года привел к восстановлению некоторых из этих заброшенных станций, только значительное повышение цен на топливо в сочетании с конкретными потребностями в ирригации или борьбе с наводнениями, вероятно, приведет к значительному строительству новых гидроэлектростанций.
По оценкам, около 75 процентов потенциальной водной энергии в прилегающих районах США уже освоено, при этом водосборный бассейн реки Колумбия на Тихоокеанском Северо-Западе лидирует как по освоенной, так и по потенциальной дополнительной мощности. По состоянию на конец 1980-х годов гидроэлектроэнергия удовлетворяла около 13 процентов общего спроса на электрическую энергию в США, хотя это составляет всего 3 процента от совокупного потребления энергии в США на механическую энергию, тепло, свет и охлаждение.
Приведенные выше соображения не всегда применимы к таким отдаленным районам, как Аляска, север Канады и Сибирь в России, а также к развивающимся странам в Гималаях, Африке и Южной Америке. По оценкам, в этих регионах освоено лишь 23 процента потенциальной водной энергии. Например, из 167 миллионов киловатт, имеющихся на Аляске, на сегодняшний день использовано менее 1 процента. Среди других речных бассейнов с большим остаточным потенциалом — река Фрейзер в Канаде, Ориноко в Венесуэле, Брахмапутра в Индии и Енисей-Ангара в России. Возможно, мощность турбин в некоторых из этих удаленных районов превысит нынешний максимум в 740 000 киловатт на единицу.
