万家寨水电站由拦河坝、泄水建筑物、引水建筑物、坝后厂房及开关站等组成。

万家寨水电站拦河坝坝顶高程982米，坝顶长443米，顶宽21米，上游坡1:0.15，下游坡1:0.7。体积150万立方米，大坝在915米高程以下河床坝段横缝灌浆连成整体，岸坡坝段分别在948和940米高程以下连成整体，以使个别坝段由于层间剪切带和泥化夹层相对集中时，借助相邻坝段的帮助，提高抗滑稳定性。

泄水建筑物共设有8个底孔，4个中孔，1个表孔，5个排沙孔。底孔为压力短管式无压坝身泄水孔，布置在河床左侧5~8号坝段，每坝段2孔，孔口尺寸4米×6米，进口底坎高程915米，用弧形门操作，主要用于调水调沙，水库冲淤。末端用挑流消能。库水位970米时，总泄量5271立方米/秒。

中孔为压力短管式无压坝身泄水孔，布置在河床中部9号和10号坝段，每坝段2孔，孔口尺寸4米×8米，进口底坎高程946米，用平板门操作，主要用于泄洪排沙和排漂。末端用挑流消能，总泄量2156立方米/秒。

表孔为开敞式溢流堰，布置在左侧4号坝段，孔口净宽14米，堰顶高程970米，担负排水和泄放超标洪水作用，当库水位980米时，泄量864立方米/秒。

排沙孔为坝内压力钢管，布置于河床右侧13~17号电站坝段，位于电站进水口下方，进口底坎高程912米。进口段尺寸为2.4米×3.0米，设有平板检修闸门，一道事故闸门，主要用于减少进入电站的泥沙。

电站厂房进水口高程932米，钢管直径7.5米。主厂房长196.5米，宽27米(上部)、43.75米(下部)，高56.3米。为坝后厂房。装6台单机容量18万千瓦水轮发电机组，额定水头68米，最大水头81.5米，最小水头51.3米。开关站布置在厂坝平台之间。

引黄入晋工程渠首为2条引水隧洞，洞径4米，洞中心线间距12米，单洞引用流量24立方米/秒。取水口布置在拦河坝左岸2号和3号非溢流坝段上。在引水时段内，水库最高库水位980米，最低库水位957米。为保证能引取表层清水，采用分层取水结构物。