适用于中低水头、大流量的水电站。在相同水头下，其比转速较混流式水轮机为高。应用水头约为3到80m。水流在导叶与转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮区内，水流保持轴向流动。

轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。

在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。根据其转轮叶片在运行之中能否转动，又可分为轴流转浆式和轴流定浆式两种。

轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。优点：结构简单，造价较低。缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。根据其特点，一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

轴流式水轮机转轮主要包含转轮轮叶、转轮轮毂、泄水锥三部分组成。