在古代，人类长期依赖人力和畜力进行劳动，直到水磨的出现，这一局面才得以改变。
古希腊最早的水磨证据可以在波拉考拉的车轮上发现，这项技术被认为发明于公元前3世纪。波拉考拉位于科林斯地峡，是古希腊的一个重要遗址。这些早期的水磨遗址能够在古集市上发现，这表明水磨技术在当时已经得到了实际应用。
古希腊工程师拜占庭的斐洛提供了关于水磨的文字证据，他提到在希腊化时期，居住在亚历山大城的人们就已经频繁使用水磨。这些描述证明了水磨技术在公元前250-240年的古希腊时期已经相当成熟。
紧接着，古希腊地理学家斯特拉博在其著作中提到了本都王国的米特拉达梯六世在其王宫附近建造的水磨，米特拉达梯六世的王宫建造的水磨主要用于碾磨谷物。本都王国位于黑海南岸，是一个希腊化的国家，这一记载表明水磨技术已经传播到了小亚细亚地区。
最初的水磨设计相对简单，被称为希腊式或挪威水磨。这种水磨的核心是一个垂直轴，轴的末端连接了一个水平的勺斗，勺斗由多个铲子组成。轴穿过较低的磨石，通过十字棒固定在上方的磨石上，形成了一个基本的机械结构。这种设计也被称为水平水磨，它依赖于流水的动力来驱动磨石转动。希腊式水磨适合于山区的急流和瀑布，这些地区的水流速度快，能够为水磨提供足够的动力。
然而，这种水磨的效率相对较低，主要是因为它的设计简单，动力传输效率不高。因此，这种水磨主要用于满足个体农民的需要，而不是用于大规模的商业生产。尽管如此，希腊式水磨的出现标志着人类开始利用自然力量来减轻劳动负担，提高生产效率。
罗马时期的机械师受到希腊水磨的启发，开始设计更高效的水磨。维特鲁威水磨通过将水轮置于垂直位置，并与磨石的垂直轴相咬合，实现了动力的高效传递。维特鲁威水磨的设计中，水轮与上磨石的连接通过一系列齿轮完成，这不仅提高了转速，也使得磨石的转速可以根据需要进行调整。这种设计使得水磨的输出功率大幅提升，据估计，其功率可达3马力甚至50马力，成为当时功率最大的原动机。
维特鲁威水磨的转速比和结构复杂性都有所增加，这一点在维特鲁威的著作《建筑十书》中有详细描述。他提到，通过适当选择大小齿轮的齿数，就可以调整水磨的转速，从而适应不同的加工需求。这种水磨的设计不仅提高了生产效率，还减少了对人力的依赖，使得面粉和其他粮食加工品的产量大幅增加。
通过利用水力驱动的机械，水磨不仅大幅提升了生产效率，还促进了新职业的产生，如面包师和磨坊主。由于商业经济的繁荣，面包制造与销售成为重要行业，转磨的形制结构和操作模式得到创新，发展出多种外貌各异、庞大沉重的磨石，以及动能更强大的畜力和水力驱动方式。
巴贝加尔水磨坊是罗马帝国鼎盛时期建造的，其复杂的水力结构和原理，直到现代才被科学家们通过考古发现的碳酸盐沉积物研究清楚。
巴贝加尔水磨坊位于法国南部，是罗马时期的一个工业建筑群，由16个平行排列的水轮组成，东侧和西侧各八个，以瀑布式的排列方式运行。这些水轮的类型、功能以及使用方式曾长期是个谜，但通过考古学家和工程师的共同努力，这些谜团逐渐被揭开。
（巴贝加尔水磨坊遗址）
巴贝加尔水磨坊的水力结构设计非常精巧。水磨坊的运作依赖于一条从周围山上引水的水渠，这一条水渠可以为16个上射式水轮供。这些磨坊每天的面粉产量可达4.5吨，足以为当时Arelate（现在的阿尔勒）的30-40,000居民中的6,000人提供足够的面包。
（巴贝加尔水磨坊想象图）
水磨坊的木制供水系统在运行约100年后，其侧面和底部形成了碳酸钙沉积物，这些沉积物保存在阿尔勒考古博物馆内，为研究提供了重要线索。科学家们通过对这些碳酸钙沉积物的研究，发现木制水轮和水渠在使用三到八年后就必须更换，而且至少在一个案例中，旧水轮被一个更大的水轮所取代。这表明罗马时期的工程师已经能够对水磨坊进行维护和升级，以提高其效率和产量。
巴贝加尔水磨坊的运作原理也得到了进一步的阐释。水磨坊的整个结构经过改造，以适应不同的水流量和水压。研究人员否定了最初通过水道的水量较少而后来有所增加的可能性，他们认为水道的倾斜度必须改变，从最初的低水位陡坡变为相应的高水位浅坡。
此外，巴贝加尔水磨坊的考古研究还揭示了磨坊的独立运行情况。研究人员发现，这些磨坊是分开运行的，至少是在磨坊寿命的末期，而且建筑群西侧的废弃时间早于东侧。
然而，水磨的推广并非一帆风顺。地中海盆地的水流量季节性变化大，这限制了水磨的广泛采用。但在古罗马时期，奴隶制的盛行为经济生产提供了充足的廉价劳动力，这成为水力磨坊普及的障碍。因为当有廉价且充足的劳动力可用时，上层精英缺乏发明和采用自然力的动力。
尽管如此，水磨的技术优势逐渐被认识到。在劳动力短缺的时期，如水力磨坊在公元6世纪罗马帝国爆发瘟疫后变得日益重要，因为奴隶劳动开始变得稀缺而珍贵。水磨的使用为妇女节省了大量时间，使她们有更多机会参与其他劳动。
此外，基督教尊重劳动和积极利用自然的观念，激发了人们从事技术劳动的积极性，并推动了水力磨坊在社会中的应用。
水磨的应用逐渐超越了碾磨谷物的范畴，成为了驱动多种工业机械的原动机。
三世纪下半叶的罗马帝国东部已经开始使用水力锯木厂，这种锯木厂利用水流的动能，通过杆将水轮的圆周运动转化为锯片的来回运动，从而快速、有效地将原木加工成木材。
在冶金作坊中，水磨的应用同样起到了革命性的作用。水力锻锤和风箱的使用使得锻造铁的数量和质量都有了根本性的提升，同时引入了新的生产工艺，使得铸铁能够成批量生产。水力成为采矿和冶金的基础，这一变化在中世纪的英格兰尤为明显。
中世纪的修道院追求自给自足，对水力的利用充满了热情。修士们依赖水力，西多会修道士在法国南部的修道院中建造了带有水轮的浆洗机、制纸机和磨锤机，这些水力机械的应用不仅提高了生产效率，也促进了当地工艺的发展。
在中世纪的英格兰，水磨的数量迅速增长，从1086年的5624个增加到1300年左右的1万到1万5千之间，平均每10平方公里就有1个水磨。水磨不仅用于食品加工，还广泛应用于木材加工、金属加工等领域，成为推动中世纪工业革命的重要力量。
中国古代的水磨最早出现在西汉时期，当时已经出现了水碓，它除加工粮食外，还有捶纸浆、碎矿石等多种用途。水碓的传动方式是由水流冲动立式水轮，轮轴上的短横木拨动碓梢，促使碓头一起一落进行舂捣。
到了东汉，人们开始运用水力舂米，桓谭在《桓子新论》中最早用文字记载了人类对水力的应用。马钧在公元227至239年间创造了一个由水轮转动的大型歌舞木偶机械，包括以此水轮带动舂、磨。晋代杜预在此基础上发明了“连机碓”和“水转连磨”，这些机械可能是一个大水轮同时驱动水碓与水磨的机械。
（水碓）
据《晋书.王戎传》记载:性好兴利，广收八方园田水碓，周遍天下。他拥有的水碓多达40处，这些水碓遍布全国各地。石崇是另一位西晋时期的权贵，以其奢华的生活方式和巨大的财富而闻名。《晋书·列传·石崇》中提到，石崇被杀后，“有司簿阅崇水碓三十余区，苍头八百余人。这表明石崇拥有的水碓数量也相当可观，达到30多处。这些水碓是石崇财富的重要组成部分，同时也可以看出水碓在当时社会经济中的重要地位。
南朝祖冲之进一步改进，创造了“水碓磨”，用同一个水轮驱动碓和磨同时工作。《魏书》记载崔亮“读《杜预传》，见为八磨，嘉其有济时用，遂教民为碾。及为仆射，奏于张方桥东堰谷水造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”，显示水磨在当时社会生产中的重要作用。
