水轮发电机又称为水车发电机，为一种利用水轮机转动带动发电机转子转动而产生电力的一种发电机组。
水轮发电机通常会利用不同形式的水轮机与不同形式的发电机组成水轮发电机组，而水轮发电机的发电原理是透过水轮机内的动轮连结轴承到发电机的转子上，再利用水自高处向低处水轮机冲下的位能转换成动能来带动动轮与发电机轴承上的转子旋转，转子上的线圈在磁铁的两极间转动。当线圈转动时，转子上的线圈与定子上的磁铁发生磁场改变，以切线互相做功，因此产生感应电流，是运用“电磁感应”原理将动力所作的功利用切线方向的磁场转换成电能的电力生产装置。
水车轴与发电机轴之间连结的中间轴，上部即为发电机，下部即为水轮机，东部发电厂碧海机组竖轴佩尔顿式水轮发电机。
飞轮，由于发电机运转时，飞轮会随轴承高速转动，因此会加上栅栏防止异物入侵，东部发电厂清水机组横轴佩尔顿式水轮发电机3号机。
通常水轮发电机组会由水轮机、轴承、飞轮、调速机、空气冷却系统、发电机所组成，发电机所制造出的电力，会透过集电环搜集，经过主变压器的变压后，进入到开关厂，最后便进入到供电系统中的输电线路。
水轮发电机组透过发电机与水轮机之间不同的位置配置也有不同的形式，依轴承的位置可分为竖轴式水轮发电机，又称为立式水轮发电机，另一种则是横轴式水轮发电机，又称为卧式水轮发电机。还有贯流式水轮发电机。
而依水轮机形式的不同，可再以水轮机的名称做分类衍生。如，法兰西斯式水轮发电机，即为法兰西斯式水轮机与发电机进行搭配，再以轴承细分即有横轴法兰西斯式水轮机或是竖轴法兰西斯式水轮机，其他如竖轴卡布兰式水轮发电机，横轴佩尔顿式水轮发电机等等皆是以此种方式分门别类。发电机部分，大多都会采用回转磁场三相交流同步发电机的类型。
竖轴式水轮发电机其轴承为直立式的，水轮机会布置在发电机的下方，然后两部装置都会有轴承，分为水车轴与发电机轴，再利用两部装置轴承之间的中间轴将两部装置相互连结，即可透过水轮机带动发电机。通常，竖轴式水轮发电机所应用的水头环境较高，流量较大，其输出的功率也比横轴式机组较高。而竖轴机组也因为其机组配置，因此通常竖轴水轮发电机所安装的厂房构造上都为纵深形式。
横轴式水轮发电机其轴承为横躺式的，水轮机与发电机相互平行放置，其轴承也是区分为水车轴与发电机轴，而横轴式水轮发电机较竖轴机组不同之处在于由于横轴机组为卧式，会受到地心引力惯性影响，因此在水轮机与发电机之间还需要有飞轮的设计，来控制轴承旋转以避免失控。
贯流式水轮发电机其主要由贯流式水轮机（又称为横流式水轮机或是奥斯伯杰式水轮机）来驱动发电机。贯流式水轮机是一种带有固定或可调动轮叶片的的特殊轴流式水轮机型式。这种水轮机主要特征是动轮轴线采取水平或倾斜配置,并与水轮机入水处与尾水出口水流方向皆为一致。贯流式水轮发电机具有结构紧凑,重量轻的特色，这种形式的水轮机大多广泛应用于低水头高度的水力发电厂。
现今世界上各大水力发电厂多数皆利用水轮发电机来进行电力生产，目前是上最大的惯常式水力发电厂中国长江三峡大坝即在其发电厂内装设了32部的水轮发电机组，总装置容量高达225,00MW。
水力发电厂中，会透过水力发电公式来计算预计装设水轮发电机的环境适合哪一种类型的水轮发电机：
设水头高度为H米，流量为每秒Q立方米，功率为KW。该环境下，水向下冲击时所能够输出的功率就是。
。由于各个安装水轮发电机的站点其水头高度，水流量等因素均不相同。为了能够让水轮发电机的运转效率来到最高，以及达到水轮机强度的上限与发生气穴现象的上限，因此各个水力发电厂在兴建之前都会针对其先天环境上，所能提供的水头高度以及能够使用的水流量进行计算。一般状况下，佩尔顿式水轮发电机理论水头高度为49－5,905英尺（14.9－1,799.8米），流量及小也能运转，因此该型的水轮发电机不论流量多寡，多半都会安装在高水头的发电环境中，发电效率最高达200MW。法兰西斯式水轮发电机理论水头高度为130－2,000英尺（39.6－609.6米）为最常见的水轮机应用类型，发电效率最高达800MW。卡布兰式水轮发电机的理论水头高度为9.9－295.2英尺（3.0－90.0米），并且需要流量极大的环境，因此该型的水轮发电机大多都安装于高流量，低水头的发电厂中，最高发电效率可达400MW。贯流式水轮发电机组则大多都安装低于82英尺（25.0米）以下的发电厂环境中。
