大甲溪流量豐沛、
河床坡度陡峻，早在日治時代，日本人已知道
大甲溪的
水力發電潛力，故於
1942年由台灣電力株式會社開始建設「天冷發電廠」，但因當時是世界大戰末期，日本人已資源耗盡而於1944年10月停工。光復後，台灣電力公司獲得美援協助開始天輪電廠續建，全部土木工程於1951年10月完成，1952年3月開始裝設容量26,500KW的第一部發電機，同年9月5日電廠正式發電。9月9日老蔣總統蒞廠視察，親自題名該廠為「天輪發電總廠」。
隨後，第二部機組，容量也是26,500KW，於1952年10月動工，1953年8月併聯發電；第三部機組，容量也是26,500KW，於1956年4月9日併聯發電，並且因天輪壩頂加裝閘門，將川流式改為調整池式發電；第四部機組，容量也是26,500KW，於1978年11月30日併聯發電，但天輪引水隧道的最大安全通水量只有每秒68立方公尺，水量不足，因此四部機組的裝置容量全部下修為22,500KW，總裝置容量為90,000KW。
德基水庫完成後，下游各電廠串聯運轉，但天輪壩的容量太小、輸水隧道供水也不足，電廠無法再擴充，天輪壩常常溢流，損失發電效益，因此在天輪壩上游右岸約100公尺處另建一新的取水口，裝設國內慣常水力機組中容量最大（105,500KW）發電機一部，稱為新天輪發電廠，於1996年4月30日商轉，但編屬為「大甲溪電廠天輪分廠第五部機」，故天輪分廠總裝置容量達195,500KW。
至於天輪壩，則位於台中市和平區，是大甲溪水力發電系統中從上游算來第四座水壩。本壩壩高48.2公尺、壩長91公尺，原設計容量82.4萬立方公尺（2011年3月實測剩27.3萬立方公尺），比較大甲溪上其他的水壩，如德基水庫、青山壩、谷關壩、馬鞍壩、石岡壩分別完成於1974年、1970年、1961年、1999年、1977年，天輪壩是大甲溪流域最高齡的水壩。
【補充說明】慣常水力發電：水力發電的方式有一般水力發電、抽蓄水力發電及小水力發電。一般水力發電又稱慣常水力發電，又可因引水方式不同再區分為川流式（參考1954年6月烏來電廠）、調整池式（參考1934年9月30日補充）、水庫式等，其發電量超過2萬KW以上（否則稱小水力發電），與抽蓄式不同（參考1985年8月）。