一般由立体交叉的硐室群组成。主要优点是厂房不占地面位置，与地面水工建筑物施工干扰较少，工期较短。采用这种厂房形式的首要条件是地质上能满足硐室对稳定性的要求，厂房位置要避开地质上的大断裂；在地应力大的地方要考虑厂房硐室处于最有利的地应力方向，并比较各种硐室的断面形式（一般为城门洞形、椭圆形等），改善硐室周边的应力条件。硐室的跨度大小反映出开挖技术上的难度。中国鲁布革水电站地下式厂房采用水轮机平面扭转一角度的布置方式，使硐室跨度大为减小；同时对硐室采用喷锚技术，并用岩石力学和弹塑性理论、有限元法、模型试验方法等进行设计，从而降低了工程造价。

地下式水电站从枢纽布置来看，可分成两类：一类是地下式厂房位于首部枢纽。有些地下式厂房为了缩短高压引水管道，根据地质和防污条件的许可，把厂房向岸边靠近。另一类是地下式厂房位置远离首部枢纽，设在下游尾水出口的部位。这种布置大都属于长洞引水式水电站。地下式水电站特别适宜于在山区峡谷河流修建。