东线工程利用江苏省江水北调工程，扩大规模，向北延伸。规划从江苏省扬州附近的长江干流引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，并作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖后，分水两路，一路向北穿黄河后自流到天津；另一路向东经新辟的胶东地区输水干线接引黄济青渠道，向胶东地区供水。

东线工程由输水河道、泵站、蓄水湖泊、穿黄工程以及治污工程、水土保持工程、供电、调度运行管理设施等一系列单项工程组成，在单项工程基础上，组成不同规模的调水方案。

南水北调东线工程创造了世界上规模最大的泵站群——东线泵站群工程，工程实施分三期，第一期工程共计增建泵站21座，工期6年；南水北调东线一期工程输水干线长1467公里，全线共设立13个梯级泵站，共22处枢纽、34座泵站，总扬程65米，总装机台数160台，总装机容量36.62万千瓦，总装机流量4447.6立方米每秒，具有规模大、泵型多、扬程低、流量大、年利用小时数高等特点。工程建成后将成为亚洲乃至世界大型泵站数量最集中的现代化泵站群，其中水泵水力模型以及水泵制造水平均达到国际先进水平。第二期工程，在第一期工程基础上增建泵站13座，工期3年；第三期工程，在第二期工程基础上增建泵站17座，工期5年。南水北调东线第一、二、三期主体工程共计投资420亿元。

2019年11月28日，南水北调东线一期工程北延应急供水工程在山东临清开工。南水北调东线一期工程北延应急供水工程供水线路经东线一期工程山东境内小运河输水至邱屯枢纽后，分东、西两条线路输水入南运河后继续向下游输水至九宣闸，东西线全长695公里。工程建设总工期21个月。工程建成后，可有效向河北、天津地下压采地区供水，置换农业用地下水，缓解华北地下水超采状况。同时，相机向衡水湖、南运河、南大港、北大港等河湖湿地补水，改善生态环境，还可以为向天津市、河北沧州市城市生活应急供水创造条件。

2021年05月20日11时，随着苏鲁省界上的南水北调东线输水干线台儿庄泵站停机，南水北调东线2020—2021年度工作圆满结束。此次调水入山东的水量为6.74亿立方米。南水北调东线一期工程自2013年11月15日正式通水以来，已顺利完成8个年度的向北调水任务，累计向北输水超53亿立方米。