一匹马能产生的能量约为500瓦特，相当于6个中等体格的人适度工作所产生的能量。第三种能量来源是对自然的驾驭，比如利用湍急的河流或强风。水车早在罗马时期就出现了。200年，在今法国境内的阿尔勒附近，聚居着罗马帝国统治下的高卢人。当时，那里已有16架水车。这些水车为磨粉机提供动力，每天能磨28吨面粉。据《英国土地志》记载，英国在11世纪拥有5624架水车。在随后的几百年里，风车在欧洲和世界各地逐渐普及。风车比水车适应性更强。人们发明了多种装置调整风车的方向，使风车能自动转向风吹来的方向，从而大大增加了风车的利用率。人们用水车和风车提供的动力磨玉米，或者操控当时简易的机械设备把空气吹进高炉。但是利用水力或风力的机械设备产生的能量非常有限，一架中世纪的水车只能产生1.5千瓦的能量，即使是中世纪最大的风车所产生的能量也不过是7.5千瓦，而现在，一辆卡车所产生的能量是当时最大风车产生能量的35倍以上。

人们仍缺少一种可靠、可控并能够大规模使用的能源，这正体现了第四种能源（利用储藏在化石燃料中的能量）的重要之处。1698年，位于英国西南部德文郡托特尼斯镇的托马斯·萨弗里发明了一项专利，这项专利描述了如何利用火的推动力推动一种液体（比如水）。萨弗里发明了世界上第一台蒸汽机，这台蒸汽机利用煤加热锅炉中的水产生的蒸汽提供动力。蒸汽进入汽缸，在每个汽缸中冷凝成水。冷凝过程中，蒸汽体积缩小，在汽缸中形成局部真空。假设汽缸通过管子连接需要被推动的水，水就会在大气压力的作用下被推进汽缸中的真空部分。萨弗里的这一设计是最早将化石燃料中的能量转换成机械运动的一种可行方法。这种机械运动可应用于多种工作。

1708年，德文郡的另一位工程师托马斯·纽科门制造了一款改良的引擎，他的设计中融入了连接杆和其他可用于驱动机器的机械装置。1769年，苏格兰发明家詹姆斯·瓦特发明了更先进的引擎，这款引擎比纽科门发明的引擎更节能。不久后，英国出现了第一批大规模工厂。工厂中有很多机器用于纺织工业的纺纱和编织，这些机器的运转依靠旋转运动。瓦特发明的引擎使用一种基于行星式齿轮的简单机械装置，把产生的能量转换成旋转运动。因此，瓦特发明的引擎成为第一次工业革命时期工厂里的主要能量来源。截至1870年，英国使用基于瓦特设计的蒸汽机所产生的能量达3千兆瓦（30亿瓦特），相当于600万匹马产生的能量。1890年，蒸汽机提供的能量约占美国能源需求的80%，取代了水动力提供的能量。在19世纪50年代之前，水动力一直是主要的能量来源。