Peltonräder sind gängige Turbinen für kleine Wasserkraftwerke, wenn die verfügbare Wasserquelle eine relativ hohe Fallhöhe bei geringen Durchflussmengen aufweist, da das Peltonrad hier seinen höchsten Wirkungsgrad erzielt. Peltonräder werden in allen Größen hergestellt, von kleinsten Mikro-Wasserkraftanlagen bis hin zu deutlich größeren Anlagen, als sie für kleine 10-MW-Einheiten benötigt werden.
Im Betrieb wird beim Auftreffen des Wasserstrahls auf die konturierten Schaufelblätter die Wassergeschwindigkeit entsprechend der Schaufelkontur geändert. Die Impulsenergie des Wassers erzeugt ein Drehmoment auf das Schaufelradsystem und versetzt das Rad in Rotation. Der Wasserstrahl selbst beschreibt eine U-Kurve und tritt an den Außenseiten des Schaufelblatts mit geringer Geschwindigkeit aus. Dabei wird der Impuls des Wasserstrahls auf das Rad und von dort auf eine Turbine übertragen. So verrichtet die Impulsenergie Arbeit an der Turbine. Für maximale Leistung und Effizienz ist das Rad-Turbinen-System so ausgelegt, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahls doppelt so hoch ist wie die der rotierenden Schaufelblätter. Ein sehr geringer Anteil der ursprünglichen kinetischen Energie des Wasserstrahls verbleibt im Wasser. Dadurch wird das Schaufelblatt mit der gleichen Geschwindigkeit entleert, mit der es gefüllt wird, und der Hochdruck-Zulauf kann ununterbrochen und ohne Energieverlust erfolgen. Typischerweise sind zwei Schaufelblätter nebeneinander am Rad montiert, wodurch der Wasserstrahl in zwei gleich große Strahlen aufgeteilt wird. Dadurch werden die Seitenkräfte auf das Rad ausgeglichen und eine reibungslose, effiziente Übertragung des Impulses des Wasserstrahls auf das Turbinenrad gewährleistet.