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。