Nguyên lý đơn giản nhất của tất cả các dạng thủy điện từ lớn đến nhỏ đều giống nhau: Dưới tác dụng của trọng lực, nước đổ từ trên cao xuống thấp (thế năng) sẽ làm quay các lưỡi turbin; Các lưỡi turbin này được kết nối với một bộ máy phát điện; Điện tạo ra từ các turbin quay được đưa qua trạm biến thế và kết nối vào mạng lưới phân phối điện.

Mô hình nguyên lý hoạt động của một thuỷ điện đập bơm. Các dạng thuỷ điện khác cũng chung nguyên lý trên, sử dụng thế năng sức nước trên cao để quay tuabin tạo ra dòng điện.

Các dạng thuỷ điện phổ biến bao gồm:

Thủy điện đập chứa: sử dụng đập để chứa nước. Đây là dạng đập thủy điện phổ biến nhất trong các mô hình thủy điện lớn (công suất ~ 30 MW). Nước sông được dự trữ trong bể chứa lớn. Nước có thể được tháo thoát hoặc để đáp ứng nhu cầu điện hoặc để ổn định mực nước trong bể. Khi được tháo chảy qua đập, dòng chảy sẽ làm quay turbin, kích hoạt máy phát điện và sản xuất điện năng. Dạng thủy điện này không nhất thiết phải có các đập nước lớn. Nước có thể được thoát qua các kênh đào thông với sông qua các turbin. 

Thuỷ điện nhánh sông: dạng thủy điện này rẽ nhánh dòng chảy của sông vào một kênh đào hoặc ống dẫn. Thủy điện dạng này có thể không cần sử dụng đập chứa.

Thủy điện đập bơm: bơm nước từ bể thấp lên bể cao trong giờ thấp điểm. Dạng đập thủy điện này được thiết kế để giải quyết nhu cầu cung cấp điện trong giờ cao điểm. Nguồn điện năng dự trữ như sau: trong giờ thấp điểm, thủy năng được dự trữ bằng cách bơm nước từ bể chứa thấp lên bể chứa cao (sử dụng điện năng dư thừa), trong giờ cao điểm, nước được thoát qua đập để quay turbin, từ đó sản xuất điện. Các đập dạng này, ngoài chức năng thông thường của một đập thủy điện, còn có khả năng hoạt động như máy bơm nước phục vụ tưới tiêu hoặc đáp ứng nhu cầu tiêu thụ nước thông thường. Dạng thủy điện này ngày càng trở nên phổ biến do khả năng thích ứng cao, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu suất hoạt động của nhà máy. 

Mực nước hồ Kẻ Gỗ tăng cao, xả đập là phương án cuối cùng

Như đã nói ở trên, thuỷ điện đập chứa là mô hình thuỷ điện phổ biến nhất ở Việt Nam. Phần lớn các công trình thuỷ điện đều sử dụng đập chứa bởi địa lợi sông ngòi, lượng nước dồi dào, chi phí không quá cao. Nhưng đây cũng là điểm bất lợi lớn nhất của mô hình này, khi lượng nước hay lượng mưa quá lớn tăng lượng nước trong hồ dẫn đến vượt quá dung tích của hồ chứa và tràn đập. Mỗi một hồ chứa thường có dung tích từ hàng trăm triệu đến hàng tỷ m3 nước, lúc này đây, áp lực được gia tăng lên thành đập nếu lượng nước ngày càng tăng.

Nếu không nhanh chóng giảm áp lực, nguy cơ vỡ đập sẽ rất cao, hàng trăm triệu đến hàng tỷ m3 nước sẽ cùng lúc ồ ạt đổ xuống gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Trong tình trạng mực nước hồ chứa vượt quá dung tích chứa, biện pháp duy nhất nghĩ đến được đó là xả bớt nước, giảm tải áp lực lên thành đập. Đây là phương án cuối cùng bởi sẽ gây thiệt hại cho dân cư vùng hạ lưu và lân cận nhưng thực sự không còn cách nào khả dĩ hơn, nếu vỡ đập thì hậu quả sẽ còn lớn hơn rất nhiều.