Den mest primitive vandmølle, man har kendt, er en mølle med et vandretliggende hjul, der består af skovle samlet på den nederste ende af en aksel. Akslen passerer op gennem et hul i midten af kværnens nederste sten og er fastgjort til den øverste sten. Når vandet løber ind i hjulets skovle, skubbes det rundt og trækker den øverste sten med sig i akkurat samme hastighed. Mellem kværnens to sten males kornet til mel.
Den horisontale mølle arbejder langsomt, og effekten er ikke særlig stor, men den kræver ikke meget vand for at arbejde. Den vil som regel kun være i stand til at tilfredsstille et enkelt husholds behov for maling af brødkorn.
Møller med horisontale hjul kendtes i Grækenland allerede før vores tidsregning. Fra de hjemlige egne kendes de fra Færøerne, Bornholm og de sydsvenske områder. Vi har ingen sikker viden om, hvor tidligt de har været brugt i Norden, og der er hverken skriftlige dokumenter eller arkæologiske udgravninger, der giver sikkert belæg for, at de har eksisteret i det øvrige Danmark. Chr. Fischer, der har givet det hidtil vigtigste bidrag til vandmøllernes ældste historie, konkluderer da også, at Danmarks ældste vandmøller ikke var møller med horisontale, men med vertikale hjul.
Vi har ikke nogen nøjagtig datering på Danmarks første vandmøller, men arkæologiske udgravninger har afsløret vandmølledele, der ved kulstof-14 metoden er dateret til tidlig middelalder. Sin store udbredelse fandt vandmøllerne ved kristendommens indførelse, idet munkene bragte kundskaben om møllebyggeri med sig.
Benedikt af Nursia, der omkring år 500 blev grundlæggeren af en ny klosterorden, skrev sin egen "Regula"; - et regelsæt for, hvordan klosteret og klosterlivet skulle indrettes. Benedict skrev bl.a., at der så vidt muligt inden for klosterets mure skal findes en mølle.
Ved Montecassino, hvor Benedict havde anlagt sit kloster - og i det hele taget i Sydeuropas bjergrige egne - var det ikke svært at finde steder, hvor man kunne anlægge et kloster i nærheden af et brugbart vandløb med stort kraft. Anderledes var naturforholdene i Danmark. Munkene i Danmark blev derfor sande ingeniører. Ofte måtte man regulere vandløbene ganske meget, for at få den rette vandmængde og det rette fald på vandet. Klosterbyggeriet kulminerede i 1100-tallet. En periode, hvor der derfor også blev bygget en masse møller.
De bedste møllesteder i Danmark lå ofte i sump, hvor det var uhensigtsmæssigt at bygge et kloster. Derfor kom mange af munkenes danske møller rent faktisk til at ligge uden for klostermuren, men de var dog klosterets ejendom, og man formåede hurtigt at skaffe sig kongens ord for, at ingen andre måtte bygge møller i nærheden. I 1175 gav Kong Valdemar således benediktinermunkene i Odense eneret til at male brødkorn for Odense bys borgere.
De første vandmøller havde strømhjul. Det vil sige, at der ikke var nogen opstemning af vandet – vandløbets strøm var alene det, der skubbede hjulet rundt.
Det næste udviklingstrin var underfaldshjulet, hvor vandet ledes ind forneden på hjulet. Dette vandhjul kan arbejde med en ret lille faldhøjde, men skal gå tæt på bunden og er derfor sårbart over for grøde og sand. Underfaldshjulet kan kun udnytte ca. 20 – 30% af vandets kraft.
Først omkring 1430 brugtes egentlige opdæmninger, der gav mulighed for at bruge et brystfaldshjul, hvor vandet ledes ind lidt højere, men dog stadig i den underste del af hjulet. Brystfaldshjulet kan køre med faldhøjder på ned til 1 m, og kan – afhængig af faldhøjden – udnytte 40-70% af vandets kraft.
Langt mere effektivt var det senere opfundne overfaldshjul. Her ledes vandet op på toppen af hjulet, og det er primært vandets vægt på hjulets skovle, der driver det rundt. Dette hjul drejer modsat underfaldshjulet og brystfaldshjulet; og da dets omdrejningsretning er modsat det bortflydende bagvand, må det placeres så højt, at bagvandet ikke når op til hjulet. Overfaldshjulet kræver en faldhøjde på mindst 2 – 3 m. Det giver gode driftsforhold og er robust over for grøde. Udnyttelsen er ca. 60 – 80% af vandets kraft – alt efter størrelse.
Det ældste overfaldshjul, som vi kender herhjemme, blev bygget af Tycho Brahe i 1590-92. Han byggede en mølle med et godt 4 m stort overfaldshjul på Hven.
Overfaldshjulet er effektivt, men det kan ikke bruges alle steder. Valg af vandhjulstype vil altid afhænge af naturforholdene – opstemningsmuligheder, vandmængde og faldhøjde. Det er i så henseende ikke egnsbestemt. Et specielt træk for nordjyske vandmøller er dog, at vandhjulet ofte er placeret inde i møllebygningen, mens det i det øvrige Danmark er placeret uden for gavlen eller ved den ene ende af møllehusets facade.
Ingen åer måtte løbe i stranden uden at have gjort landegavn, fastslog Valdemar Atterdag. Middelalderens møller med strøm- eller underfaldshjul havde dog en meget begrænset effektivitet. Langt mere effektive var de møller med overfaldshjul, der introduceredes i renæssancen. Det ældste overfaldshjul, vi med nogen ret kan kalde dansk, blev som nævnt bygget af Tycho Brahe på Hven i 1590-92.
Ifølge Arent Berntsen var Norges vandmøller i 1656 stort set alle forsynet med overfaldshjul, mens disse slet ikke kendtes i Danmark. Dette forhold ændrede sig radikalt få årtier senere. En stærkt medvirkende årsag til, at mange underfaldshjul udskiftedes med overfaldshjul, var et øget skattepres på møllerne.
Vandtilførslen på de ældste overfaldshjul skete ofte ad meget lange træslisker, der gav anledning til et forfærdeligt vandspild. I slutningen af 1700-årene blev de erstattet af en fremskudt malekarm, så mølledammens opstemning kunne føres helt frem til møllehjulet. Det betød mindre vandspild og større udnyttelse af vandets stødkraft. Udviklingen frembragte vandhjul med større og større udnyttelsesgrad. Men man må ikke forledes til at tro, at et underfaldshjul nødvendigvis er ældre end et mere udviklet overfaldshjul. Hjultypernes anvendelse var helt afhængig af vandmængde og fald. Dårlige vandforhold kunne man så forsøge at kompensere for ved indretningen af gangtøjet, der består af en række aksler, hjul og transmissioner, hvis formål dels er at opgeare hastigheden, dels at transmittere kraften ud til de forskellige maskiner.
Frem til omkring 1800 havde de fleste vandmøller enkelt gear -vinkelgearet. Det betød, at hvis man skulle have flere kværne, måtte man også have flere vandhjul. Nogle vandmøller kunne have både 4 og 5 vandhjul. Med udbredelsen af den hollandske vindmølle kom også stjernehjulet og dermed flere gear i møllen, og så kunne man koble flere kværne på det samme vandhjul.
