Große Talsperren sind technisch äußerst anspruchsvolle Bauwerke und erreichen extreme Ausmaße. Nicht alle Talsperren dienen der Stromerzeugung, sondern auch dem Hochwasserschutz, der Schiffbarmachung eines Gewässers oder als Trinkwasserspeicher.

Talsperren stauen Wasser auf der gesamten Breite eines Tals auf. Die Sperre wird durch einen aufgeschütteten Staudamm, oder häufiger, eine Staumauer gebildet. Da sie einem großen Wasserdruck standhalten müssen, ist ihr Bau technisch sehr aufwändig und erfordert große Mengen an Baumaterial. Es gibt verschiedene Bauformen für Talsperren:

• Gewichtsstaumauern haben in etwa den Querschnitt eines rechtwinkligen Dreiecks. Ihr immenses Gewicht hält dem Wasserdruck stand.
• Bogenstaumauern sind gewölbt und lenken den Wasserdruck sowohl in den Baugrund als auch auf die Talflanken.

Talsperren sind häufig Teil von  Speicher- bzw. Pumpspeicherkraftwerken. Diese nutzen die potenzielle Energie, die in hoch aufgestautem Wasser steckt. Das aufgestaute Wasser fließt mit hohem Druck durch Turbinen, wenn es aus dem Stausee durch  Rohrleitungen im unteren Teil der Staumauer abfließt. Daher werden derartige Kraftwerke auch als Druckwasserkraftwerke bezeichnet. Um eine möglichst große potenzielle Energie des Wassers zu erreichen, werden Staumauern, je nach natürlichen Gegebenheiten, bis zu 300 Meter hoch gebaut. Die höchste Talsperre Deutschlands ist mit 106 Metern die Rappbode-Talsperre im Harz.

Talsperren-Katastrophen können enorme Schäden verursachen. Deshalb werden hohe Anforderungen an den Bau, den Betrieb, sowie an die Kontrolle großer Stauanlagen gestellt.

Gespeist werden die durch Talsperren gebildeten Stauseen häufig von Flüssen. Andere Stauseen werden nur durch das Wasser gespeist, das aus den umliegenden Bergen zufließt. Manche Talsperren liefern als Speicherkraftwerke nur Spitzenlaststrom, laufen also nur für kurze Zeit. Abhängig von ihrem Füll- bzw. Entleerungsrhythmus wird zwischen Tages-, Wochen-, Monats- oder Jahresspeicher unterschieden.