Secondo un articolo di W. F. Durand dell'Università di Stanford, pubblicato nel 1939 su "Mechanical Engineering", l'invenzione di Pelton ebbe origine da un'osservazione casuale, avvenuta intorno al 1870. Pelton stava guardando la rotazione di una turbina ad acqua, quando la chiavetta che fissava la ruota sull'asse si allentò, causando un disallineamento. Il getto d'acqua, invece di colpire le coppe al centro, a causa del disallineamento, le colpiva vicino al bordo; il flusso d'acqua, anziché fermarsi, veniva deflesso in un semicerchio, uscendo dalla coppa in direzione opposta. In modo sorprendente, la turbina si muoveva ora più rapidamente.

E´ stata questa la grande scoperta di Pelton. In altre turbine il getto colpice il centro della coppa, e l'urto dell'acqua incidente spreca energia. In termini tecnici, in questo caso l'urto assomiglia a una collisione anelastica, mentre al contrario, nella turbina sviluppata da Pelton, la deflessione subita dal getto equivale a una collisione elastica.

Verso la fine degli anni '70 del 1800, Pelton sviluppò ulteriormente il suo dispositivo, arrivando alla fine a una doppia coppa, con una divisione a forma di cuneo nel mezzo, per separare in due il getto: metà a sinistra e metà a destra. (Si può approssimare questa forma, tenendo le mani a forma di coppa verso l'alto, e poi portandole a contatto, con le unghie di una mano che toccano le unghie dell'altra mano).

Negli inverni del 1877 e del 1878, Pelton provò turbine di varie dimensioni, compresa una molto piccola per alimentare la macchina da cucire della sua padrona di casa. Nel 1879 testò un prototipo della sua turbina all’Università della California. Nel 1880 ottenne il brevetto per la sua invenzione.

Pelton in seguito cercò di vendere le sue turbine, ma non ebbe molto successo fino alla primavera del 1883, quando la "Idaho Mining Company" di Grass Valley nello Yuba County, California, organizzò una gara tra diversi progetti, prima di decidere quale acquistare. La turbina di Pelton vinse raggiungendo una efficienza del 90.2%, mentre le altre tre ruote ad acqua, partecipanti alla gara, ottennero soltanto efficienze del 76.5%, 69.6% e 60.5%. Dopo questo successo, le vendite crebbero vertiginosamente, e nel 1888 Pelton, con altri soci, formò a San Francisco la "Pelton Water Wheel Company", che espanse ulteriormente la produzione.

Anche se le turbine di Pelton furono installate in quasi tutto il mondo, alcuni dei suoi migliori clienti furono quelli nel "paese del filone aurifero originale" dove aveva iniziato la sua carriera. La più grande ruota di Pelton mai costruita misura oltre 9 metri di diametro, ed è ora esposta a Grass Valley, mentre una ruota da 15 tonnellate, visibile vicino Nevada City (la sua immagine è riportata in Figura 2, mentre la placca ricordo è quella di Figura 3), ha fornito 18000 cavalli vapore di elettricità per circa 60 anni.

Pelton si trasferì infine a Oakland, nalla baia di San Francisco, dove morì nel 1908. Non si sposò mai.