Точных данных о строительстве водяной мельнице в селе Большие Харлуши нет. По данным энциклопедии «Челябинская область» к концу XIX века в селе были построены 2 мельницы. По сведениям из Уральского торгово-промышленного адрес-календаря на 1903 и 1906 годы в станице Долгодеревенской, к которой относилось это село, было 7 мельниц, одна из которых принадлежала Маршалову М.И.

По данным этого же издания на 1911 год мельница в пос. Харлушевском принадлежала Петру Михайловичу Маршалову (вероятно, сыну М.И. Маршалова). Ему же принадлежала мельница в д. Мавлютова. В 1914 и 1915 годы, по данным Уральского торгово-промышленного адрес-календаря, мельница в Мавлютова остаётся за П.М. Маршаловым, а водяная мельница в посёлке Харлушевский переходит к Дмитрию Илларионовичу Архипову.

По неподтверждённым документами данным, в 1930 году мельницу в Харлушах была сожжена. От мощного сооружения остался только каменный фундамент, на который было решено водрузить деревянную часть и оборудование мельницы, перенесенных из Мавлютова. Обновленная конструкция перешла в подчинение крупозаводу № 11, позже переименованному в комбинат хлебопродуктов имени Григоровича.

В 1950 году, когда веяния модернизации добрались до Харлуш, водяное колесо заменил электрический двигатель, а в 1976-1978 гг. мельницу закрыли и переоборудовали в базу отдыха для сотрудников комбината хлебопродуктов.

В настоящее время в Челябинской области это единственное здание бывшей водяной мельницы, построенной в дореволюционный период и сохранившейся в достаточно удовлетворительном состоянии. Кроме того, на территории участка, где находится здание бывшей мельницы, сохранился также жилой дом дореволюционный постройки, принадлежавший предположительно хозяину мельницы.