نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای نوعی ذخیره انرژی به صورت هیدروالکتریسیته است که توسط سیستم‌های توان الکتریکی برای متعادل کردن بار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش انرژی پتانسیل گرانشی آب را، به وسیلهٔ پمپاژ آن از یک مخزن در ارتفاع پایین به مخزنی در ارتفاع بالاتر، ذخیره می‌کنند. به‌طور معمول کار پمپاژ آب را با استفاده از مازاد برق تولید شده، که از لحاظ اقتصادی به صرفه است، انجام می‌دهند. هنگامی که تقاضای برق زیاد است، آب ذخیره شده در مخزن بالا رها شده و با استفاده از توربین، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. اگرچه در پروسه‌ای که گفته شد، مقدار برق مصرف‌شده و تولیدی نیروگاه تلمبه‌ای ذخیره‌ای تقریباً برابر است، ولی سامانه با فروش برق در زمان اوج مصرف به درآمد بیشتری دست می‌یابد.
نیروگاه تلمبه‌ای یا انرژی را از منابع متناوب (مانند خورشیدی و بادی) و دیگر تجدیدپذیرها دریافت می‌کند، یا برق اضافی منابع پایدار و دائمی (مانند حرارتی و هسته‌ای) را برای زمان‌های تقاضای بالاتر، دریافت کرده و ذخیره می‌کند. مخازن مورد استفاده در روش تلمبه‌ای-ذخیره‌ای، در مقایسه با سدهای هیدروالکتریکی معمولی که ظرفیت تولید مشابهی دارند، بسیار کوچک هستند و دوره‌های تولیدشان اغلب کمتر از نصف روز است.