W roku 1848 James B. Francis udoskonalił projekty poprzedników, dzięki czemu jego turbina osiągnęła 90% sprawności. Ten amerykański inżynier zastosował podejście naukowe. Przeprowadził szereg eksperymentów, dzięki czemu jego turbina okazała się wyraźnie lepsza. Opracował szereg technik obliczeniowych, które pozwoliły pokoleniom pracujących po nim inżynierów lepiej zrozumieć zjawiska zachodzące podczas przepływu wody na łopatkach. W oparciu o jego prace możliwe stało się zaprojektowanie turbiny uwzględniającej warunki hydrologiczne panujące w miejscu jej pracy.
Podstawy teoretyczne Turbina Francisa jest turbiną reakcyjną – płyn roboczy podczas przepływu przez to urządzenie rozpręża się. Energia potencjalna płynu zostaje przekształcona w energię kinetyczną obracającego się wirnika. Turbina znajduje się między zbiornikiem płynu o wyższym ciśnieniu (wyższy poziom cieczy) i zbiornikiem zawierającym płyn o niższym ciśnieniu (niższy poziom cieczy). Źródłem różnicy ciśnień jest w przypadku hydroelektrowni siła ciążenia.