【东线工程】
从长江下游江苏省扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北上，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水，一路向北，经隧洞穿黄河，流经山东、河北至天津。输水主干线长１１５６公里；一路向东，经济南输水到烟台、威海，输水线路长７０１公里。整条东线将于２０１３年建成通水。
２００２年，一期工程开工。穿黄河工程中最为关键的穿黄河隧洞工程１９８６年即开始勘探试验洞建设,２０１０年３月２５日，穿黄隧洞全线贯通，至此用于调引长江水的南水北调东线输水线路在山东境内黄河河底约７０米深处成功穿越。穿黄河主体工程于２００７年开工，２０１２年１月８日完工。
２００８年１０月，徐州截污导流工程开工建设，２０１１年３月１５日主体工程建成，同日睢宁二站和徐洪河影响工程正式开工建设。这标志着江苏段工程进入全面加快建设高峰期，为完成２０１３年南水北调东线一期工程建成通水奠定坚实基础。徐州截污导流工程是保障南水北调东线江苏段输水干线出省水质达到Ⅲ类水标准的关键性工程，也是南水北调江苏境内１０２项治污项目中投资最大的单项工程。工程总投资７.２亿元，全长１７０公里，设计尾水规模４１万吨每天。
【中线工程】
从长江中游北岸支流汉江加坝扩容后的丹江口水库引水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，可基本自流到北京、天津。输水总干线全长１２６７公里。
南水北调中线工程从河南省淅川县陶岔渠首到北京团城湖全长１２７７公里。
２００３年，一期工程正式开工。截至２００９年１２月４日，南水北调中线穿黄隧洞下游线进入约６００米宽的黄河水面主河道掘进施工地段，这标志着南水北调中线穿黄工程已进入到攻坚阶段。
截至２０１１年２月，中线河南段干线工程全线开工。实际开工建设有穿漳工程、鹤壁段、穿黄工程和陶岔渠首等，共计２１个设计单元工程，已开工项目总长３９５．７公里。累计评定单元工程２４７３２个，全部合格，其中优良２３０８５个，单元工程优良率达９３．３％。
按照南水北调工程建设目标，南水北调中线一期工程将于２０１３年底主体工程完工，２０１４年汛后全线通水。
南水北调中线干线工程
南水北调中线干线工程是南水北调中线一期工程的输水工程部分，包括总干渠和天津干渠，全长１４３２公里，年均调水量９５亿立方米。工程跨越长江、黄河、淮河、海河四大流域，途经河南、河北、北京、天津四省（直辖市）。
２０１１年４月２５日，南水北调中线干线黄河南段连线建设全面开工。这不仅标志着黄河以南段工程成功连线建设，也标志着整个南水北调中线干线主体工程全部开工。南水北调中线干线黄河以南段工程总长４７４公里，起于河南省南阳市淅川县陶岔渠首工程，止于郑州市以西３０公里的穿黄工程，途径郑州、许昌、平顶山、南阳４个市、１８个（区）县，总计２３个设计单元，７９个施工标，计划总工期３１至４２个月，总投资５１４．３亿元。
【西线工程】
在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游，补充黄河水资源的不足，主要解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。
五个“世界之最”
——世界规模最大的调水工程。南水北调工程横穿长江、淮河、黄河、海河四大流域，涉及十余个省（自治区、直辖市），输水线路长，穿越河流多，工程涉及面广，效益巨大，是一个十分复杂的巨型水利工程，其规模及难度国内外均无先例。仅东、中线一期工程土石方开挖量１７.８亿立方米，土石方填筑量６.２亿立方米，混凝土量６３００万立方米。
——世界上供水规模最大的调水工程。南水北调工程主要解决我国北方地区，尤其是黄淮海流域的水资源短缺问题。供水区域控制面积达１４５万平方公里，约占中国陆地国土面积的１５％。
——世界距离最长的调水工程。南水北调工程规划的东、中、西线干线总长度达４３５０公里。目前正在建设的东、中线一期工程干线总长为２８９９公里，沿线六省市一级配套支渠约２７００公里，总长度达５５９９公里。
——世界上受益人口最多的调水工程。南水北调工程供水规划区人口４.３８亿人（２００２年）。仅东、中线一期工程直接供水的县级以上城市就有２５３个，直接受益人口达１.１亿人。丹江口水库大坝加高后，可增加防洪库容３３亿立方米，与非工程措施和中下游防洪工程相配合，可使汉江中下游地区的防洪标准由目前的２０年一遇提高到１００年一遇，消除７０余万人的洪水威胁。
——世界水利移民史上最大强度的移民搬迁。南水北调中线丹江口大坝因加高需搬迁移民３４.５万人，移民搬迁安置任务主要集中于２０１０年、２０１１年完成，其中２０１１年要完成１９万人的搬迁安置，年度搬迁安置强度即搬迁安置人口在国内和世界上均创历史纪录，在世界水利移民史上前所未有。
