Ce sont les moins connues car elles ne sont souvent pas visibles depuis l'extérieur du moulin. Elles ont ainsi bien moins été représentées. Elles n'en étaient pas moins très répandues.

Les roues horizontales sont les plus intéressantes du point de vue théorique. Leur invention, selon certains, est indépendante de celle des roues verticales.
Les roues horizontales fonctionnent grâce à un jet d'eau appliqué sur leur pales (ou augets si elles sont courbes). L'eau provient d'un réservoir situé plus haut. Pour augmenter la hauteur de chute, les roues horizontales sont ainsi souvent sous le moulin. La forme de leurs augets permet d'améliorer leur rendement. On peut voir sur les photos suivantes deux types de roues : une à pales planes et l'autre à cuillères (construite par les Compagnons Menuisiers de Toulouse).

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Roues horizontales à pales plates (droite) et à cuillères (gauche)

La forme des pales s'est améliorée au cours de l'évolution des moulins et c'est aujourd'hui une forme semi-circulaire qui est retenue pour les turbines.

Le nombre de pales ou d'augets varie de 20 à 30 environ. La vitesse est de l'ordre d'une centaine de tours par minute.

On peut distinguer sur la photo de droite l'axe qui transmettra le mouvement à la meule. Celui-ci repose sur une pièce de métal insérée dans une poutre fixée au sol (on peut également la distinguer sous l'eau). On voit ainsi sur la photo suivante la terminaison de l'axe qui vient s'y loger.

Roue horizontale surélevée pour réparation.

Lors du fonctionnement de la roue horizontale, il faut veiller à ce qu'elle ne soit pas en partie immergée, sans quoi les frottements sur l'eau diminuent considérablement le rendement. L'évacuation doit donc se faire dans de bonnes conditions, et il faut ainsi souvent nettoyer ou déblayer le canal de sortie.