於中國的中部至東部而言，水資源的自然分佈是南澇北旱的格局。南水北調工程的意義，是為中國興建新的「水網」。

中國北方少雨，人均水資源佔有量只是全國的四分一。北方需水，南方則怕水（水災），南水北調工程對中國水資源的調配起人工規劃的作用，讓南方充盈的水源澤及北方，長江、黃河區域生活的中國人共飲長江水。

早在1952年，毛澤東視察黃河時已提出：「南方水多，北方水少，如有可能，借點水來也是可以的」。中國漢江丹江口水庫於1958年始建，1973年竣工，為南水北調中線工程的水源開發打下基礎。

1992年，江澤民任內加緊南水北調等跨世紀特大工程的興建，南水北調正式提上國家議事日程。國務院於2003年正式設立南水北調工程建設委員會。經過專家和科技人員幾十年來的研究，在分析比較了50多種方案的基礎上，形成了今天從長江下游、中游和上游調水的東線、中線和西線三條調水線路。

東線工程，從長江下游江蘇省揚州江都抽引長江水，利用京杭大運河及與其平行的河道逐級提水北上，並連接起調蓄作用的洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖。出東平湖後分兩路輸水，一路向北，洞穿黃河，流經山東、河北至天津，輸水線長1156公里。另一路向東，經濟南輸水到煙台、威海，輸水線長701公里。

中線工程，從長江中游北岸支流漢江加壩擴容後的丹江口水庫引水，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，可基本自流到北京、天津。輸水總幹線全長1267公里。

至於西線工程，在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游築壩建庫，開鑿穿過長江與黃河的分水嶺巴顔喀拉山的輸水隧道，調長江水入黃河上游，補充黃河水源的不足。主要解決涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陝西、山西等黃河上中游地區和渭河關中平原的缺水問題。

東、中、西線工作規劃在50年間完成，工程的總體規劃分三個階段實施，預計總投資額達4860億元人民幣。