מנזרים ציסטרציאנים, במיוחד, עשו שימוש נרחב בגלגלי מים כדי להפעיל טחנות מים מסוגים רבים. דוגמה מוקדמת לגלגל מים גדול מאוד היא גלגל הקיים מתחילת המאה ה-13 Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda , מנזר ציסטרסיאני במחוז אראגון בספרד. טחנות גריסה (לתירס) היו ללא ספק הנפוצות ביותר, אך גם מנסרות, טחנות מלאים וטחנות למשימות רבות אחרות עתירות עבודה. יש לציין כי גלגל המים נשאר תחרותי ויעיל אל מול מנוע הקיטור גם בתקופת המהפכה התעשייתית. בסביבות המאה ה-8 עד ה-10, מספר טכנולוגיות השקיה הובאו לספרד וכך הוכנסו לאירופה. אחת מאותן טכנולוגיות היא נוריה - גלגל עם דליים בהיקפו להרמת מים ממקום נמוך לגבוה, בדומה לגלגל המים התחתון. זה אפשר לאיכרים להפעיל טחנות מים בצורה יעילה יותר. לפי ספרו של תומאס גליק, "השקיה וחברה בוולנסיה של ימי הביניים", מקור הנוריה כנראה מאיפשהו בפרס. הוא שימש במשך מאות שנים לפני שהטכנולוגיה הובאה לספרד על ידי ערבים שאימצו אותה מהרומאים. לפיכך תפוצת הנוריה בחצי האי האיברי "תואמת את אזור ההתיישבות האסלאמית המיוצבת". לטכנולוגיה זו הייתה השפעה עמוקה על חיי האיכרים. הנוריה זולה יחסית לבנייה ואיפשרה לאיכרים לעבד את אדמותיהם בצורה יעילה יותר באירופה. יחד עם הספרדים, הטכנולוגיה התפשטה לעולם החדש במקסיקו ובדרום אמריקה עם התפשטות ספרד.
אירופה של המאה ה-17 וה-18.
אנשים שתכננו, בנו ותיקנו טחנות הבדילו בין שני כוחות, דחף ומשקל, שפעלו על גלגלי מים הרבה לפני אירופה של המאה ה-18. פיצרברט, סופר חקלאי בן המאה ה-16, כתב "משמש את הגלגל כמו גם עם משקל המים כמו בכוח [דחף]". לאונרדו דה וינצ'י דן גם בכוח המים, וציין "המכה [של המים] אינה משקל, אלא מעוררת כוח של משקל, השווה כמעט לעוצמתו". עם זאת, אפילו מימוש שני הכוחות, המשקל והדחף, נותר בלבול לגבי היתרונות והחסרונות של השניים, ולא הייתה הבנה ברורה לגבי היעילות המשמעותית של המשקל. לפני 1750 לא היו בטוחים איזה כוח דומיננטי וההבנה הרחבה הייתה ששני הכוחות פעלו בהשראה שווה אחד עם השני. גלגל המים עורר שאלות לגבי חוקי הטבע, ובמיוחד חוקי התנועה של ניוטון. עבודתו של אוונג'ליסטה טוריצ'לי על גלגלי מים השתמשה בניתוח של עבודתו של גלילאו על גופים נופלים, לפיה מהירותם של מים הנובטים מפתח מתחת לעומדו הייתה שווה בדיוק למהירות טיפת מים שנפלה בנפילה חופשית מאותו גובה.
אירופה התעשייתית.
גלגל המים היה כוח מניע מאחורי השלבים המוקדמים ביותר של התיעוש בבריטניה. התקנים הדדיים המונעים על ידי מים שימשו בפטישי מעידה ומפוחי תנורי רם. מסגרת המים של ריצ'רד ארקרייט הונעה על ידי גלגל מים.
גלגל המים החזק ביותר שנבנה בבריטניה היה גלגל המים 100 כ"ס Quarry Bank Mill ליד מנצ'סטר. הוא עוצב ונבנה כגלגל breastshot גבוה, סיים את תפקידו בשנת 1904 לאחר שהוחלף על ידי מספר טורבינות. הוא שוחזר והוא כעת מהווה מוזיאון פתוח לקהל הרחב.
גלגל המים הגדול ביותר, שעדיין פועל, בבריטניה בקוטר של 15.4 מטרים והוא נבנה על ידי חברת דה וינטון מקארנרפון. הוא ממוקם בתוך בתי המלאכה של דינורוויץ' של המוזיאון הלאומי בלנבריס, בצפון ויילס.
גלגל המים הגדול בעולם, שעדיין פועל, הוא גלגל לקסי (הידוע גם בשם ליידי איזבלה) בכפר לקסי, שבאי מאן. קוטרו 22.10 מטרים ורוחבו 1.83 מטרים. הוא מתוחזק על ידי המורשת הלאומית של מאנקס.
פיתוח של טורבינות מים במהלך המהפכה התעשייתית הוביל לירידה בפופולריות של גלגלי מים. היתרון העיקרי של טורבינות הוא היכולת שלה לרתום עומד גדול בהרבה מקוטר הטורבינה, בעוד שגלגל מים לא יכול לרתום ביעילות עומד גדול מקוטר שלו. הנדידה הטכנולוגית מגלגלי מים לטורבינות מודרניות ארכה כמאה שנים.
צפון אמריקה.
גלגלי מים שימשו להנעת מנסרות, טחנות גרגירים ולמטרות אחרות במהלך פיתוח ארצות הברית. גלגל המים בקוטר שנים-עשר המטרים במקוי, קולורדו, שנבנה ב-1922, הוא גלגל מים ששרד, מיני רבים שהוציאו מים להשקיה מנהר הקולורדו.
שני שיפורים מוקדמים היו גלגלי מתלים וחישוקי גיר. גלגלי השהייה בנויים באותו אופן כמו גלגל אופניים, החישוק נתמך במתח מהרכזת - זה הוביל לפיתוחם של גלגלים קלים יותר בהשוואה לעיצוב הקודם ,שבו החישורים הכבדים היו תחת כוח דחיסה. הילוך חישוקים כלל הוספת גלגל מחורץ לחישוק או למעטה הגלגל. הילוך בדל התחבר לגלגל הילוך ולקח את הכוח לתוך הטחנה באמצעות פיר קו עצמאי. זה הסיר את הלחץ הסיבובי מהציר שיכול היה להיות קל יותר, וגם אפשר יותר גמישות במיקום של רכבת הכוח. סיבוב הציר היה מורם מזה של הגלגל מה שהוביל לאובדן כוח קטן יותר. ניתן לראות דוגמה לעיצוב זה, שנוצר על ידי תומאס יווס ושוכלל על ידי וויליאם ארמסטרונג פיירבורן , בגלגל המשוחזר משנת 1849 במחסן תעלת אגן פורטלנד.
קשורים במקצת היו גלגלי דגים ששימשו בצפון מערב אמריקה ובאלסקה, להוצאת הסלמון מזרימת הנהרות.
אוסטרליה.
באוסטרליה בעלת האקלים היבש יחסית, נבנו גלגלי מים במאה ה-19, היכן שהיו זמינים נחלים מתאימים. אלה שימשו להפעלת מנסרות, טחנות קמח וסוללות חותלות ששימשו לריסוק עפרות המכילות זהב. דוגמאות בולטות לגלגלי מים ששימשו בפעולות לכריית זהב היו גלגל המים הגדול של גארפילד ליד צ'וטון ושני גלגלי המים במפלי אדלונג; ישנם שרידים מסוימים בשני האתרים.
גלגלי מים קומפקטיים, הידועים כגלגלי Dethridge, משמשים לא כמקורות כוח אלא למדידת זרימות מים לאדמות מושקות.
הודו.
ההיסטוריה המוקדמת של טחנות המים בהודו לא ברורה. טקסטים הודיים עתיקים המתוארכים למאה ה-4 לפני הספירה מתייחסים למונח cakkavattaka (גלגל מסתובב), אשר פירושים מסבירים אותו כמכונה עם סירי גלגלים מחוברים (arahatta-ghati-yanta). על בסיס זה, ג'וזף נידהם הציע שהמכונה המתוארת היא נוריה. עם זאת, טרי ס. ריינולדס טוען כי "המונח המשמש בטקסטים הודיים אינו חד משמעי ואינו מציין בבירור מכשיר המופעל על ידי מים". Thorkild Schiøler טען כי "סביר יותר שהקטעים הללו מתייחסים לסוג כלשהו של מכשיר הרמת מים המופעל באמצעות דריכה או ביד, במקום גלגל הרמת מים המופעל על ידי מים."
על פי המסורת ההיסטורית היוונית, הודו קיבלה טחנות מים מהאימפריה הרומית בתחילת המאה הרביעית לספירה כאשר מטרודורוס מסוים הציג "טחנות מים ומרחצאות, שלא היו ידועים ביניהם [הברהמנים] עד אז". מי השקיה לגידולים ניתנו באמצעות גלגלים להעלאת מים, חלקם מונעים מעוצמת הזרם בנהר שממנו הועלו המים. סוג זה של מכשיר להעלאת מים היה בשימוש בהודו העתיקה, לפני השימוש בו, לפי פייסי, באימפריה הרומית המאוחרת או בסין, למרות שהעדות הספרותית, הארכאולוגית והציורית הראשונה של גלגל המים הופיעו בעולם ההלניסטי.
בסביבות שנת 1150, האסטרונום בהסקארא השני צפה בגלגלים מרימים מים ודמיין גלגל כזה מרים מספיק מים כדי לחדש את הזרם המניע אותו, למעשה, מכונת תנועה נצחית. בניית עבודות מים והיבטים של טכנולוגיית מים בהודו מתוארת בעבודות בשפות הערבית והפרסית. בימי הביניים, התפשטות טכנולוגיות ההשקיה ההודית והפרסית הולידה מערכת השקיה מתקדמת שהשיגה צמיחה כלכלית וגם סייעה לצמיחת התרבות החומרית.
העולם האיסלמי.
לאחר התפשטות האסלאם המשיכו מהנדסי העולם האסלאמי לפתח את טכנולוגיות המים של המזרח הקדום; כפי שניתן לראות בחפירה של תעלה באזור בצרה עם שרידי גלגל מים מהמאה ה-7. חמה בסוריה עדיין משמרת כמה מגלגליה הגדולים , על נהר האורונטס, למרות שהם אינם בשימוש עוד. אחד הגדולים היה בקוטר של כ-20 מטר ושפתו חולקה ל-120 תאים. גלגל נוסף, לה נורה, שעדיין פועל נמצא במורסיה בספרד. למרות שהגלגל המקורי הוחלף בגלגל פלדה, המערכת המורית בתקופת אל-אנדלוס כמעט ללא שינוי. כמה גלגלי מים איסלאמיים מימי הביניים יכלו להרים מים עד לגובה של 30 מטר. קיטאב אל-האווי של מוחמד בן זכריה אל-ראזי במאה ה-10 תיאר נוריה בעיראק שיכולה להרים עד 153,000 ליטר לשעה, או 2,550 ליטר לדקה. זה דומה לתפוקה של נוריה מודרנית במזרח אסיה, שיכולה להרים עד 288,000 ליטר לשעה, או 4,800 ליטר לדקה.
השימושים התעשייתיים של טחנות מים בעולם האסלאמי מתוארכים למאה ה-7, בעוד שטחנות מים עם גלגלים אופקיים ואנכיים היו שניהם בשימוש נרחב עד המאה ה-9. בעולם האסלאם נעשה שימוש במגוון של טחנות מים תעשייתיות, לרבות טחנות קמח, מקלפות אורז , מנסרות, מפעלי אוניות, מפעלי פלדה, טחנות סוכר וטחנות גאות ושפל. עד המאה ה-11, בכל מחוז ברחבי העולם האסלאמי היו טחנות מים תעשייתיות אלה בפעילות, מאל-אנדלוס וצפון אפריקה ועד המזרח התיכון ומרכז אסיה. מהנדסים מוסלמים ונוצרים השתמשו גם בגל ארכובה ובטורבינות מים, גלגלי שיניים בטחנות מים ובמכונות להעלאת מים, וסכרים כמקור מים, ששימשו לספק כוח נוסף לטחנות מים ולמכונות להעלאת מים. ייתכן שטחנות מלאות ומפעלי פלדה התפשטו מספרד האסלאמית לספרד הנוצרית במאה ה-12. טחנות מים תעשייתיות הועסקו גם במתחמי מפעלים גדולים שנבנו באל-אנדלוס בין המאות ה-11 וה-13.