Bánh xe nước các loại đã được sử dụng trong hơn 1.000 năm để cung cấp năng lượng cho các nhà máy, nhưng chúng tương đối kém hiệu quả. Cải tiến hiệu quả thế kỷ XIX của tuabin nước cho phép họ thay thế gần như tất cả các ứng dụng bánh xe nước và cạnh tranh với động cơ hơi nước bất cứ nơi nào có điện nước. Sau khi các máy phát điện được phát triển vào cuối những năm 1800, các tuabin là một nguồn năng lượng phát điện tự nhiên, nơi có nguồn thủy điện tiềm năng.

Năm 1826, Benoit Fourneyron đã phát triển một tua-bin nước dòng chảy hiệu quả cao (80%). Nước được hướng trực tiếp xuyên qua tuabin, khiến nó quay. Jean-Victor Poncelet thiết kế một tuabin bên trong dòng chảy vào khoảng năm 1820 sử dụng các nguyên tắc tương tự. S. B. Howd đã nhận được bằng sáng chế Hoa Kỳ năm 1838 cho một thiết kế tương tự.

Năm 1848, James B. Francis, trong khi làm việc với tư cách là kỹ sư trưởng của công ty Locks and Canals tại thành phố Lowell, Massachusetts, nhà máy dệt bánh xe chạy bằng nước, đã cải thiện những thiết kế này để tạo ra các tuabin hiệu quả hơn. Ông đã áp dụng các nguyên tắc khoa học và phương pháp thử nghiệm để sản xuất một thiết kế tuabin rất hiệu quả. Quan trọng hơn, phương pháp tính toán toán học và đồ họa của ông cải thiện thiết kế và kỹ thuật tuabin. Các phương pháp phân tích của ông cho phép thiết kế tự động các tuabin hiệu suất cao để phù hợp chính xác với lưu lượng và áp suất nước của một vị trí (đầu nước).