Bei der Pelton- oder Freistrahlturbine wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt, das aus einer oder mehreren Düsen tangential auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das Antriebswasser nach dem Austritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer Gleichdruck- Turbine.  Die Pelton- Turbine eignet sich nur für Wasserkraftwerke mit sehr großen Fallhöhen zwischen 20 m – 2000 m und Leistungen bis 300 MW.

Die Umsetzung der Geschwindigkeitsenergie erfolgt in ein bis sechs Düsen pro Laufrad. Das Wasser wird auch nicht einfach über die Schaufeln geleitet, sondern trifft die Mitte der Halbschalen tangential, mit hohem Druck aus einer oder mehreren Düsen, so dass der Wasserstrahl in den Schaufelmulden eine Ablenkung um fast 180 Grad erfährt und seine Energie fast vollständig an die Turbine abgibt. Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern schießt der Wasserstrahl z.B. mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/h aus der Düse. Da die kinetische Energie des Wasserstrahls von der Fallhöhe abhängt, ist die Pelton-Turbine typisch für Kraftwerke im Gebirge. Dabei werden vergleichsweise geringe Wassermengen eingesetzt.

Die Wassermenge wird zur Leistungsanpassung über eine axial verschiebbare Nadel in der Düse eingestellt, wobei die Nadel ölhydraulisch oder elektrisch verstellt wird. Bei rascher Lastminderung oder vollständiger Entlastung (Lastabwurf des Generators) werden Strahlablenker in die Wasserstrahlen eingeschwenkt, die einen Teilstrahl vom Rad ablenken und rasche Leistungsminderung bewirken.