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。

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，丹江口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，对丹江口大坝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”。

2022年3月30日，被命名为2021-2025年第一批全国科普教育基地。

2023年1月，入选“人民治水·百年功绩”治水工程项目名单。

2023年2月，被评为“第七批中国20世纪建筑遗产”推介项目。