Im Gegensatz zu einem reinen Speicherkraftwerk verfügt ein Pumpspeicherwerk nicht nur über einen oberen Speichersee, sondern auch über ein unteres Wasserbecken. Die maschinelle Ausrüstung eines Pumpspeicherwerks besteht entweder aus einem Dreimaschinensatz mit Turbine, Pumpe und einem Motorgenerator oder aus einer Pumpturbine und einem Motorgenerator. Bei beiden Ausrüstungstypen sind die jeweiligen Maschinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.

Wird Strom produziert, gelangt Wasser vom oberen Becken (Speichersee) in das Drucksystem. Das Wasser treibt die Turbine an und diese den Motorgenerator, der in diesem Fall als Generator arbeitet. Der produzierte Strom wird ins Stromnetz eingespeist. Nach der Turbine gelangt das Wasser in das untere Becken. Im Pumpbetrieb arbeitet der Motorgenerator als Motor. Er wird mit Strom aus dem Netz versorgt und treibt die Pumpe an. Diese entnimmt dem unteren Becken Wasser und pumpt es in den Stausee zurück. Die jeweils nicht arbeitende Maschine, entweder die Pumpe oder die Turbine, dreht in der entwässerten Kammer leer mit. Bei einer Pumpturbine werden die Funktionen der Turbine und jene der Pumpe durch dieselbe Maschine ausgeführt. Dabei ändert die Pumpturbine je nach Betriebsart ihre Drehrichtung.

Die Pumpspeicherung ist immer mit Verlusten verbunden. Von der für den Pumpbetrieb zugeführten elektrischen Energie lassen sich im Generatorbetrieb etwa drei Viertel zurückgewinnen. Trotzdem ist das Verfahren sinnvoll, denn es ermöglicht, ein Überangebot an Strom in Schwachlastzeiten in wertvolle Spitzenenergie umzuwandeln.

Der Strombedarf in einem Versorgungsnetz verändert sich im Tagesverlauf stark. Nachts ist der Stromverbrauch am tiefsten, um die Mittagszeit und abends am höchsten. Die untenstehende Grafik zeigt eine typische Verbrauchskurve an einem Wintertag. Die Bandenergie wird in der Schweiz hauptsächlich von den Kernkraftwerken und den Flusskraftwerken abgedeckt. Einen Beitrag leisten auch Biomassekraftwerke und konventionell-thermische Kraftwerke, die den Strom vor allem in Kehrichtverbrennungsanlagen produzieren. Die Spitzenenergie liefern die Speicherkraftwerke. Hier ist die Energie in Form von Wasser in einem Stausee gespeichert. Im Gegensatz zu den Kernkraft- und Flusskraftwerken können die Speicherkraftwerke die Stromproduktion sehr schnell an den wechselnden Bedarf anpassen. Zunehmender Regelungsbedarf ergibt sich durch die Zunahme der stochastischen Energien (unregelmässig anfallend, Beispiel Windkraftwerke). Das optimale Zusammenspiel der verschiedenen Kraftwerkstypen sorgt dafür, dass eine sichere und wirtschaftliche Stromversorgung rund um die Uhr gewährleistet ist.

Im Gegensatz zu reinen Speicherkraftwerken können Pumpspeicherwerke nicht nur Spitzenenergie erzeugen, sondern auch Stromüberschüsse, die während Schwachlastzeiten anfallen, in wertvolle Spitzenenergie umwandeln. Sie pumpen zu diesem Zweck Wasser in den höher gelegenen Stausee zurück und nutzen es zu einem späteren Zeitpunkt erneut zur Stromproduktion. Die Pumpspeicherung ist eine bewährte Methode, um Angebot und Nachfrage in einem Stromnetz auf umweltfreundliche und wirtschaftliche Art auszugleichen.