河床布置混凝土坝、泄洪建筑物及坝后式厂房，左右两岸为土石坝，通航建筑物布置在右岸。坝顶高程162.0米，挡水建筑物总长2494米，其中混凝土坝长1141米，左岸土坝1223米，右岸土坝130米。泄洪建筑物包括泄洪深孔和溢流坝两部分。泄洪深孔位于河床右部，设置12个宽5米、高6米的深孔，孔底高程113.0米，供泄放中、小流量兼作放空、排沙之用(其中1孔在1990年被备用电源电厂占用)。最大泄流量9680立方米/秒。溢流坝位于河床中部，总长264米,设有20个宽8.5米，堰顶高程138米的开敞式溢流孔，中间有一个坝段布置成隔墙(由施工时纵向围堰改建而成)，将溢流坝分隔成两部分，只有在洪水超过1935年的洪量时，才开始运用左部分(共12孔)，以保护电厂尾水少受泄洪干扰。最大泄量39900立方米/秒。

坝后式厂房位于河床左部，厂房坝段长174米，安装6台单机容量为15万千瓦的竖轴混流式水轮发电机组。转轮直径5.5米，总重658.3～588吨，额定转速100r/min,额定出力15.4万千瓦，最高效率92.8%。初期单独运转时，最大水头71.5米，最小水头44米，设计水头63.0米；后期运转时最大水头81.5米，最小水头45.4米，设计水头63.5米。机组最大过流量275立方米/秒和277立方米/秒。发电机为伞式空冷型，额定电压15.75千伏，额定容量17.65万千伏安，额定功率因数0.85，定子铁心内径12.8米，转子重572吨和490吨。引水压力钢管直径7.5米，埋设在坝内，进口高程115米。

左岸土石坝全长1223米，最大坝高56米，为粘土心墙及粘土斜墙、砂砾料坝壳土石混合坝。左岸土石坝与河床混凝土坝之间的左岸联接段长220米，为实体重力坝。为避开片岩区，混凝土坝轴线向下游转弯。左岸土石坝在联接段混凝土坝上游面与其正交联接。联接处设有上、下游挡土墙。

右岸土石坝长130米，为粘土心墙风化石碴坝壳土石混合坝。右岸联接段长339米，为实体重力坝。

通航建筑物布置在右岸，越过右岸混凝土连接坝段，采用垂直升船机与斜面升船机相结合的形式。全线由上游导航防护建筑物、垂直升船机、中间渠道、斜面升船机和下游引航道等5部分组成，中心线成一折线，总长1093米。垂直升船机为干式包括承重结构、桥式提升机、提升架和直流电气控制设备等部分。最大提升高度45米(远景59米)，最大提升重量450吨,提升速度8米/min，平移速度30米/min。中间渠道长410米。斜面升船机用双驼峰式两面坡拦水，呈高低轮和高低轨相结合的布置形式。包括斜坡道、斜架车、提升绞车、摩擦驱动装置和直流电气控制系统等部分。斜坡道全长395.5米。斜面提升机最大牵引力为4×18.50=74吨，最大牵引重量365吨，最大牵引行程300米，牵引速度为30米/min。承船厢尺寸：干运为32米×10.7米×1.2米，湿运为24米×10.7米×0.9米。设计最大船舶尺寸：36.96米×7.94米×0.92米，重150吨；45.20米×10.0米×1.10米，重300吨(减载)。过船时间：垂直升船机单向运行时，干运24.2min，湿运26.2min；迎向运行时，干运33.8min，湿运37.8min；斜面升船机单向运行时，干运28.5min，湿运30.5min；迎向运行时，干运38.1min，湿运42.1min。设计的年单向通过能力：下水为82.38万吨；上水为73.55万吨。

在坝址上游左岸30公里处已建2座灌溉取水渠首。陶岔渠首，引水流量500立方米/秒。闸室为5孔涵洞式钢筋混凝土结构，孔口尺寸6米×6.7米，闸底板高程140.米。清泉沟渠首，引水流量100立方米/秒，无压隧洞，宽7米、高7米、长6775米，进口高程143米。

坝址河谷宽500～600米，河床中部和左部有一条深槽。河床覆盖层一般厚度2～5米，最大厚度22米(深槽处)。坝址出露的地层主要为元古界片岩(左岸)和岩浆岩(河床和右岸)。断裂构造极为发育，较大断裂带多与坝轴线斜交，工程地质条件复杂。各类完整新鲜的变质岩浆岩平均极限湿抗压强度为87～148MPa，弹性模量72400～74300MPa。地震烈度6度，大坝按8度地震设防。坝址控制流域面积95217平方公里，多年平均径流量378亿立方米，多年平均流量1200立方米/秒。按千年一遇设计，万年一遇校核。设计洪水流量64900立方米/秒，初期规模时相应的库水位159.8米；校核洪水流量82300立方米/秒，相应库水位，161.4米，相应总库容209.7亿立方米。1978年改为按万年一遇洪水加20%洪量作为保坝标准，相应库水位164米，因此已将两岸土石坝顶加高至165.2米，两岸混凝土坝有19个坝段需结合后期加高要求进行加固。

多年平均可向华北调水145亿立方米以上。

二期工程已近接近尾声，大致于2013年8月份实行蓄水并进行后续的调整工作，为南水北调工程顺利送水做准备。

枢纽总工程量：土石方开挖519万立方米，土石方填筑622万立方米，混凝土及钢筋混凝土321万立方米，金属结构安装1.4万吨。其中主体工程土石方开挖432万立方米，土石方填筑540万立方米。于1958年9月1日开工，1959年3月主体工程开始施工。由于施工准备工作做得不够，大坝混凝土质量控制不严，混凝土出现较严重的浇筑质量事故，1962年3月暂停施工。一方面进行坝体混凝土事故调查，分析和处理措施的科研设计工作，同时对施工附属企业、附属工程进行改造、扩建和兴建，为机械化施工做好准备。1964年主体工程复工。

采用河床分期导流。第一期先围河床右岸部分，将右岸坝段的混凝土浇筑至高程100米左右，并形成10个4米×8米、2个2米×4米的导流底孔。第二期围左岸部分，江水从右岸坝体的已浇混凝土面及导流底孔下泄，进行左岸混凝土大坝施工。二期土石围堰最大高度约46米，按1%洪水47000立方米/秒设计，0.5%洪水52000立方米/秒校核。截流设计流量选用12月中下旬20年一遇瞬时流量640立方米/秒作为标准。采用平堵与立堵相结合方式截流。12月22日和24日龙口束窄至22.5米宽。12月26日9时50分，最后合龙。83辆12～25吨自卸汽车从左岸向龙口倾卸混凝土块体和大块石，人工向龙口右侧的裹头前缘抛投竹笼和大块石，双拼自卸木船在龙口上游平抛竹笼，三面进攻，到11时55分龙口水深已小于2米，最大流速2.74米/秒。落差2.18米。13时龙口堆石堤全部抛出水面，截流成功，历时3h10min。

坝体混凝土浇筑主要采用施工栈桥门(塔)机配轻轨柴油机牵引平板车3立方米混凝土罐供料运输方案。厂房利用塔吊进行混凝土浇筑。102混凝土生产系统由3座拌和楼组成。年最高生产能力达62.5万立方米，月最高达8.2万立方米。制冷系统容量为354×14kcal/h。

在右部河床9～11坝段形成坝踵宽20米，坝趾宽50米，约2000平方米的贯通上下游的交汇破碎带。交汇带内裂隙密集，岩石很破碎，其中还有几条宽度数厘米至40厘米的软弱糜棱岩和构造粘土带，软弱糜棱岩的湿抗压强度为0，构造粘土岩的湿抗压强度为0～2.4MPa。处理措施是在断层交汇带内浇筑10米厚的混凝土楔形梁塞，并在梁塞之下的防渗帷幕处增设10米深的混凝土防渗齿墙，其下再灌注一定深度的水泥浆帷幕。

1962年以前浇筑的近90万立方米混凝土共发生架空、冷缝等质量事故427次，各类裂缝2426条，需要进行补强灌浆和处理。在19～33坝段上游面增设防渗板处理。防渗板底部最大厚度10米左右，顶部厚度6～7米,板顶高程与已浇坝体混凝土齐平。底部设基础灌浆廊道，高程102米设坝面排水廊道，横缝止水为两道紫铜片加沥清井。防渗板与老坝面的结合，采用沿老坝面预留1.10米的宽槽，待防渗板及坝体混凝土冷却至稳定温度后回填二期混凝土，使板、坝结合成整体。在宽槽顶部，分别在高程117.5米及108米设置并缝廊道，廊道底部加配钢筋。对9～18号坝段的迎水面的防渗，采用钻孔和细磨水泥灌浆，形成坝体防渗帷幕。对坝体内的质量事故，采用补强灌浆处理。对17条基础贯穿裂缝中危害最严重的7条裂缝进行了专门处理。如9～11号坝段基础楔形梁的基础贯穿裂缝，在95米高程铺设了一层防裂钢筋网，在99.6～105米高程又浇设了一层厚5.4米的并仓板。又如18坝段2坝块的基础贯穿裂缝进行了抽槽回填并在坝段两侧宽缝面贴浇夹板混凝土处理。对表面贯穿坝块裂缝(或称通仓裂缝)，采取铺设骑缝钢筋，并提高上层混凝土标号处理。对大量的一般表面裂缝未作处理。

丹江口水库具有防洪、发电、灌溉、航运、养殖等综合利用任务，需要对水库进行优化调度，以满足各用水部门的要求，正确处理各部门之间的矛盾。通过研究建立了以发电效益为最大目标的数学模型，得出水库优化调度图。在研究过程中，应用“惩罚”的办法解决发电保证率问题，应用“控制线”法解决灌溉保证率问题；把径流作为随机过程，考虑相邻时段相关情况，应用动态规划与马尔柯夫过程的理论，建立递推计算方程组，用优选计算方法求解水库优化调度图。

丹江口水利枢纽大坝加高工程，是南水北调中线控制工程、施工技术最具挑战性的工程。丹江口水库大坝建成于1973年，要想让丹江口水库的巨大水流一路北上自然流淌，就必须把大坝在原有基础上加高14.6米，达到176.6米。2005年9月26日，备受世人关注的南水北调中线水源工程——丹江口水利枢纽大坝加高工程正式开工建设。大坝加高完成后，蓄水水位将从原来的157米提高到170米，水库库容将增加116亿立方米，达到290亿立方米。水库的主要任务以防洪、供水为主，兼有发电、航运等功能。此外，丹江口水库大坝加高还可以提高汉江中下游防洪标准，保障江汉平原及武汉市安全，中下游防洪标准由20年一遇提高到100年。

南水北调中线工程从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏咀处穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，全线自流到北京、天津。输水干线全长1421公里，其中天津输水干线约155公里。规划分两期实施。按照南水北调中线一期总体可研报告，丹江口水库大坝加高工程将初期工程的正常蓄水位157米提高到170米一次加高，相应的移民迁移水位为172米，水库淹没影响涉及河南、湖北两省，规划搬迁安置库区移民约33万人，其中23万人需要出县外迁至两省境内的50多个县市进行安置。库区移民搬迁安置计划到2013年底完成，移民规模大，任务重，时间紧。加之丹江口初期工程遗留问题较多，新老移民交替，更增加了移民工作难度。

丹江口水库初期规模(正常蓄水位157米)共淹没农田28667公顷，有效迁移人口38.2万人(不包括工程开工初期的有效移民3万人)，绝大部分为农民。这些移民从1958年至1975年历时17年，先后分6批进行搬迁安置。约40%的人口外移，约60%就近安置在水库周围，移民已经稳定下来。

2008年11月25日，丹江口库区移民试点工作动员大会在武汉召开，标志着南水北调中线水源地丹江口库区移民试点工作全面启动。在试点工作基础上，南水北调丹江口库区33万移民的搬迁安置工作计划到2013年底完成。

丹江口水库蓄水后，拦沙率达98%。据1968年4月至1986年1月的实测资料统计，库内共淤积泥沙11.29亿立方米。水库下游黄家港、襄阳、皇庄、沙洋和仙桃站的多年平均含沙量分别为0.031、0.191、0.565、0.603千克/立方米和0.754千克/立方米，分别占建库前的0.96%、7.1%、22.6%、29.3%和39.5%。由于长期下泄清水，下游河道发生同流量下水位下降，水深增加。坝下游河道由堆积性转变为侵蚀性，冲槽淤滩，洲滩兼并，支汊淤塞、主汊发育以及切滩撇弯。每年4～8月水库呈明显分层现象，在水深5～30米之间出现急变的温跃层，库表与库底温差达16℃。9～10月，上下层温差减少，分层现象减弱。11月～3月，水温趋于均匀，坝下黄家港多年实测水温资料表明，建坝后比建坝前3～8月水温降低2.1～6.2℃，9月～1月水温升高0.8～4.7℃，8月份最高水温降低了约2℃，而1月份最低水温升高了3.5℃。下泄水温的变化，对丹江口坝下至襄樊江段沿程水温及年内变幅都有影响，水温变化并不显著。水温的变化对坝下至襄樊江段的鱼类繁殖带来一定影响，满足产卵最低温度18℃的要求向后推迟约20d。蓄水后，水库水质良好，单项评价达到地面水Ⅱ类标准，综合评价达到1类标准。水库蓄水后，地震观测未发现水库诱发地震。建库后，库区鱼类种群有所变化，但捕捞量逐年增加；对汉江中下游鱼类的繁殖和生长带来了某些不利影响，但对鱼类的越冬和某些鱼类的摄食是有利的。

2021年1月，入选《第四批29家国家水情教育基地》名单。

2021年6月19日，被中央宣传部命名为“全国爱国主义教育示范基地”。

水库在初期工程建设时已考虑到后期大坝加高的要求，其中河床混凝土坝高程100米以下已按正常蓄水位170米方案进行建设，为大坝加高创造了有利条件。丹江口大坝加高工程是在丹江口水利枢纽初期工程的基础上进行培厚、加高和改造。丹江口大坝加高工程于2005年1月5日开始进行前期准备工作，9月26日举行了大坝加高工程开工仪式。2013年8月29日加高工程顺利通过蓄水验收。大坝加高工程主要包括：混凝土坝培厚加高；左岸土石坝培厚加高及延长；新建右岸土石坝及位于陶岔附近的董营副坝；改扩建升船机；金结及机电设备更新改造等。大坝加高工程完建后，坝顶高程由162米加高至176.6米，最大坝高117米,坝顶长由2494米加长到3442米，升船机规模由150吨级增加到300吨级，装机规模仍为6×150MW不变。正常蓄水位由157米抬高至170米，相应库容由174.5亿立方米增加至290.5亿立方米,总库容339亿立方米，枢纽的功能转变为以防洪、供水、发电、航运为主。通过优化调度，可使汉江中下游的防洪能力由二十年一遇提高到近百年一遇，满足近期向北方调水95亿立方米的要求。

一期工程年均可向河南、河北、天津、北京等四省市调水95亿立方米，将有效缓解中国北方水资源严重短缺局面。2014年12月12日下午14时32分，南水北调中线工程正式通水。选择14时32分开，寓意着南水北调中线工程总干渠长度1432公里。

大坝监测工作始于20世纪60年代初期，监测人员埋设了2000多台内部观测仪器，设计布置了外部变形监测系统，积累了丰富的经验。多年来，共采集大坝、库区原始观测数据150多万组，整理完成了1960～1987年、1987～1997年观测资料编制工作，为大坝安全运用提供了可靠依据。遵循大约每10年进行一次监测资料整编的工作原则，汉江集团对1998～2007年的混凝土坝监测资料进行了整编，编入8万多个数据和图表。

监测技术在不断提升，监测设备也在不断更新。引张线自动化监测系统、DJ垂线自动监测系统、GPS、全站仪、电子水准仪等先进监测技术和仪器都运用进了大坝监测中。大坝安全监测工作取得较好的成绩，多项技术达到同行业领先水平，为工程安全加固和防汛提供了数据，为大坝二期工程加高设计提供了依据。1994年，《大坝安全监测系统分析》科研成果荣获湖北省科学技术进步一等奖。从2003年到加高工程建设末期，针对整个大坝加高监测设计不同阶段，汉江集团提供了大量的监测现状资料，结合现状提出了很多有益的建议并被设计单位采纳，对监测设计的合理性，科学性提供了有力的保障。

根据防汛调度需要，1975年，水库管理处（现水库调度中心）应运而生，开展气象预报、水情预报、水库调度、无线通讯、水质监测、水库地震监测等工作。1982年，丹管局引进意大利的雨量、水位自动测报系统，并于1983年与意大利合作建立了水库周区遥测系统，使周围9000平方公里的水雨情况即使在恶劣天气时也能迅速掌握。1984年，丹管局委托南京自动化研究所作了水情测报系统规划。1989年与中央气象台协作，研制了丹江口水库流域秋季降雨预报专家系统。1990年建成了水库调度历史数据库。1991年，历经10年的努力，完成了丹江口水利枢纽水库调度自动化系统，该系统大量采用遥感技术，提高了水情气象预报精度，使预报时间大大提前，为水库优化调度提供了前提。1994年，丹江口水库调度自动化系统获水利部科技进步奖二等奖，并向全国水利系统推广。

自1982年以来，水库管理人员在水雨情数据采集自动化、数据整理、洪水预报方案等方面积累了丰富的经验。近年来，汉江集团进一步完善丹江口水库调度自动化系统。2005年，汛期首次实行自动化报汛，提高了报汛质量，为全程洪水预报调度提供了及时准确的信息保证。2006年，全面实现流域内南阳地区和安康、黄龙滩水库等地水文信息的计算机网络传输，为枢纽调度乃至长江防汛调度提供更可靠及时的依据。

伴随着2005年大坝加高工程的全面开工，汉江集团积极调整水库调度方式以配合项目建设。在来水正常年份，为了配合坝体裂缝检查及处理工作对水位的要求，采取适度多发或均衡发电的运行方式削落库水位。2014年，为实现南水北调中线工程汛后通水的目标，面对水库年初水位较低，年内来水偏少的实际情况，水库在实时调度时严格控制发电流量，尽量抬高水库水位，特别是9月，在连续发生两场洪水的情况下，依然做出牺牲，控制发电下泄，为通水预留充足水量。