南水北调中线工程的水源地在汉江的丹江口水库。汉江是长江第二大支流，不但水资源丰富，而且是我国中部区域水质最好的大河，丹江口水库库区水质常年在II类以上，可以直接进入水厂。丹江口水库是1958年主要为江汉平原防洪修建的，地势较高，与北京相比有120多米的落差。这样，在输水过程中就无需泵站加压，水可以自流到北京。

        南水北调中线一期工程从加坝扩容以后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，一路自流向北，最终到达北京、天津。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，在郑州以西李村附近穿过黄河，此后继续沿京广铁路西侧北上直到终点，输水干线全长1432公里。后期工程将从长江干流引水。

        中线包括从起点陶岔渠首闸至终点北京团城湖的总干渠全长1277公里，天津干渠155公里，输水工程以明渠为主。北京段采用PCCP管和暗涵输水，天津干渠采用暗涵输水。一期工程设计调水流量为：陶岔渠首每秒350立方米,穿黄河每秒265立方米，进河北每秒235立方米，进北京每秒50立方米，进天津每秒50立方米。

        丹江口水库的大坝经过加高加厚，正常蓄水位从157米提高至170米，相应库容达到290.5亿立方米，新增库容116亿立方米。一期工程可向河南、河北、北京、天津等四省市的20多座城市年调水95亿立方米，受水区面积约15万平方公里。

        另外，升船机规模由150吨级增加到300吨级，水力发电厂装机规模仍为6×15万千瓦不变。大坝加高以后，不仅可以满足受水区需调水量的要求，还可以使汉江中下游防洪标准大大提高，由目前的20年一遇提高到近100年一遇，两岸数十万人基本解除了洪水威胁。丹江口水利枢纽的功能转变为防洪、供水、发电、航运。

        丹江口大坝加高需要在原坝体的基础上加高培厚。但是新老混凝土的结合不是一件容易的事情。如果在老坝体上直接浇筑新的混凝土，尽管新老混凝土都具有很高的机械强度，但是在它们的结合面上却非常脆弱，只要很小的剪切力就能使它们沿着结合面分成两个部分。这样的现象如果发生在水坝上，后果不堪设想。

        南水北调的工程师使用了这样的方法：详细地调查大坝的结构之后，先将老大坝的顶层部分爆破，露出内部的混凝土。为满足大坝加高新老混凝土结合的需要，对老坝体下游面需开凿大量的三角形键槽。新增键槽按水平方向布置，键槽断面为不等边三角形，增大新老混凝土结合面的咬合强度。这时在大坝上钻入数以万计的钢筋，然后浇筑新的混凝土。使新老坝体牢牢地结为一个整体。

        丹江口大坝升级改造的主体工程于2005年9月25日正式开工，陆续进行了贴坡、加高以及其他附属设施的改造。目前整个工程已进入全面收尾阶段，计划于2013年6月前全部完成。

        中线工程开始实施调水后，由于汉江下泄流量减少，势必对汉江中下游生产、生活和生态用水有一定的影响。为减少或消除因调水产生的不利影响，在汉江中下游建设了兴隆水利枢纽、引江济汉、部分闸站改造、局部航道整治四项工程。