三门峡水利枢纽控制黄河流域面积68.8万平方公里，是黄河干流上修建的第一座拦河控制性工程。1957年开工，1960年开始蓄水运用，1964年后又进行两期改建，对保证黄河防洪及灌溉、发电起了重要作用。
工程位于黄河干流三门峡谷之中，拦河大坝右岸为河南省三门峡市湖滨区高庙乡，左岸为山西省平陆县三门乡。坝址处河床狭窄，两岸山岩夹峙，河中神门岛、鬼门岛，将黄河劈为三股激流，向有“三门天险”之称。下游约400米处有中流砥柱、张公岛和梳妆台三个石岛矗立河中。大坝座落在这些石岛之间的河床上。坝型为混凝土重力坝，大坝最高106米，主坝长713.2米，右岸副坝为双铰钢筋混凝土心墙土坝，长144米。坝顶高程353米。河床为坚硬致密的闪长玢岩。水电站在坝后偏靠右岸，电站坝段长232米，原设计安装8台机组，经改建现安装5台机组。水库原按正常高水位350米施工，总库容354亿立方米，库容集中分布在潼关以上黄河与渭河的汇流区。潼关以下到大坝全长113.5公里，为河道型库区，河宽仅1～4公里，三门峡长期保持的有效库容约30亿立方米，全部分布在该河段。
枢纽工程包括两期改建共完成土方1502.5万立方米，石方369万立方米，混凝土212.6万立方米，总投资9.56亿元。截至1981年，库区335米高程以下实际移民41.38万人，其中河南省6.47万人；淹没耕地79.82万亩，其中河南省为9.12万亩。共迁移新老县城7座（陕西省的潼关、朝邑，山西省的平陆、永济，河南省的灵宝、阌乡、陕县）。陇海及南同蒲铁路共改线120公里。
一、决策
中国著名水利专家李仪祉于1935年首次提出在黄河干流潼关至孟津河段修建蓄洪水库的主张。同年，黄河水利委员会挪威籍主任工程师安立森与中国工程技术人员查勘了孟津至陕县干流河段，并对小浪底、八里胡同、三门峡三座坝址进行了比较。
日本帝国主义为了掠夺中国资源，1941年6月由东亚研究所第二调查委员会查勘了三门峡坝址，提出在三门峡筑坝修水库建电站的具体计划，认为修建100米高坝“无甚困难”， “在黄河干流能充分收调节水之效者，唯三门峡一处。”
1946年，国民政府水利委员会组织黄河治本研究团，以综合利用为目标，对三门峡和八里胡同坝址进行了比较研究。该团团长、水利专家张含英，于1947年在《黄河治理纲要》中明确指出：“河在陕县、孟津间位于山谷之中，且临近下游，故为建筑拦洪水库之优良区域。其筑坝之地址，应为陕县之三门及新安八里胡同。”
1949年8月中国共产党领导下的黄河水利委员会主任王化云、副主任赵明甫联名向华北人民政府主席董必武提出《治理黄河初步意见》，认为解除下游水患，应“选择适当地点建造水库”，陕县到孟津间“可能筑坝的地点有三处，是三门峡、八里胡同和小浪底。”
1950年3～6月，黄河水利委员会组织查勘龙门至孟津干流河段，特聘冯景兰、曹世禄两位地质专家参加三门峡、八里胡同和小浪底坝址的考察。此次查勘证明八里胡同的地质条件不如三门峡，并把三门峡水库蓄水位定为350米，以防洪、发电结合灌溉为开发目的。7月，水利部长傅作义率张含英、张光斗、冯景兰、布可夫等中、苏专家考察潼关至孟津河段，指出潼孟段的水库工程是整个黄河流域规划的一部分，应该首先拟定开发整个流域的大轮廓，然后提前修建潼孟段水库。水库宜分期修筑，坝址可从三门峡、王家滩两处选择。1952年，黄河水利委员会主任王化云、燃料工业部水电总局副局长张铁铮与苏联专家查勘三门峡坝址，认为三门峡地质条件好，能修高坝，并建议了一条坝轴线，确定了第一批钻孔位置。黄河水利委员会主张把三门峡水库的蓄水位从350米提高到360米，想用大水库的一部分库容拦沙，以解决水土保持不能迅速产生减沙效益的矛盾，尽可能延长水库寿命。有的人则主张在八里胡同建冲沙水库。
经计算得知，在八里胡同建冲沙水库不行，而三门峡水库又因淹人淹地太多，不少人反对，遂于1952年下半年起，又研究淹人淹地少的邙山建库方案，计划在邙山修建160亿立方米库容的滞洪水库，但有人主张修冲沙水库。两种方案投资都在10亿元以上，淹没人口超过15万人。由于花钱多，没有综合利用效益，又提出修三门峡水库。1953年2月，王化云向毛泽东主席汇报三门峡建库方案及整个黄河的治理方策，毛主席听后认为可以研究。以后水利部对修建水库解决防洪问题明确指示：第一，要迅速解决防洪问题。第二，根据国家目前的状况，花钱不能超过5亿元，迁移不能超过5万人。因此，又提出修建邙山、芝川两座水库，降低坝高、缩小库容的方案。1953年5月，王化云给邓子恢副总理写报告，认为“如果我们举办了这一工程（指邙山、芝川两座水库），黄河在二十年内可以保证不闹大水灾，这样可以腾出时间进行治本工作”。邓子恢副总理认为很有见解，并写信将报告转呈毛主席，建议“第一个五年计划先修芝川、邙山两个水库。”不过对先修三门峡水库还是邙山、芝川两水库，仍有不同意见，未能定案。
1953年6月，在国家计划委员会领导下成立以燃料工业部和水利部为主的黄河研究组，具体负责收集、整理、分析有关黄河规划所需的各项资料。1954年1月苏联专家组到达北京，2月组成黄河查勘团，开始从黄河入海口到刘家峡的黄河大查勘，4月成立黄河规划委员会，具体负责黄河规划编制工作。查勘团完成孟津至龙门干流河段的查勘任务以后，在西安召开技术座谈会。会上苏联专家对三门峡坝址发表了肯定意见，专家组组长柯洛略夫指出：“从龙门到邙山我们看过的全部坝址中，必须承认：三门峡坝址是最好的一个，任何其它坝址都不能代替三门峡使下游获得那样大的效益，都不能象三门峡那样综合地解决防洪、灌溉、发电等各方面的问题。”
1954年10月，黄河规划委员会完成《黄河综合利用规划技术经济报告》的编制任务，选定三门峡水利枢纽为实施黄河规划的第一期重点工程。报告指出：“在选择第一期工程时，必须解决防洪、拦沙、灌溉、发电以及航运等综合利用任务。在黄河中游，只有三门峡是唯一能够达到这样要求的水利枢纽。” 报告确定三门峡水库正常高水位为350米，总库容360亿立方米，设计允许泄量8000立方米／秒，发电装机89.6万千瓦，淹没耕地200万亩，迁移人口60万人。报告认为：三门峡水库与将要修建的伊、洛、沁河水库联合运用，“黄河下游防洪问题将得到全部解决。”为减轻一次移民过多的困难，报告建议采取库水位分期抬高、移民分期外迁的办法。关于库区泥沙淤积问题，报告认为：除预留堆沙库容外，必须与黄土高原水土保持措施结合起来解决。在水土保持生效前，为了减轻三门峡水库的淤积，第一期计划先在多沙支流上修建5座大型、5座小型拦泥库。但长期和根本解决泥沙的办法，仍需依靠大规模的全面的水土保持工作。
1955年5月7日，中共中央政治局会议讨论通过黄河规划问题。7月18日，国务院第15次全体会议通过关于根治黄河水害和开发黄河水利的综合规划的报告。7月30日，第一届全国人民代表大会第二次会议通过《关于根治黄河水害和开发黄河水利的综合规划的决议》，批准国务院提出的黄河规划的原则和基本内容，要求国务院迅速成立三门峡水库和水电站建筑工程机构，保证工程及时施工。
1955年8月，黄河规划委员会提出三门峡水利枢纽工程设计任务书，除大坝和水电站委托苏联电站部水电设计院列宁格勒分院设计外，其余项目全部由中国自己承担。国家计划委员会在审查设计任务书时提出三点意见：考虑到三门峡水库的淤积速度和中上游水土保持的效果未完全判明，为延长水库寿命，要求提出正常高水位在350米以上的几个方案，以供选择；由于三门峡以下伊、洛、沁河支流水库的防洪效果未判明，为保证下游防洪安全，在初步设计中应考虑将允许泄量由8000立方米秒降至6000立方米／秒；应考虑进一步扩大灌溉面积的可能性。
1956年4月，苏联列宁格勒设计分院提出初步设计要点报告：推荐下坝轴线、混凝土重力坝和坝内式厂房方案；正常高水位选定360米高程，最终抬高到370米；设计最大泄量为6000立方米／秒。7月，国务院审查初步设计要点报告，决定大坝和水电站按正常高水位360米一次建成，1967年前正常高水位应维持在350米，并要求1961年第一台机组发电，1962年工程全部建成。按照以上意见，苏联于1956年底完成初步设计。1957年，国务院根据周恩来总理的指示，在吸收多方面专家意见的基础上，对技术设计提出意见：大坝按正常高水位360米设计，350米施工，350米是一个较长期的运用水位；水电站厂房定为坝后式；在技术允许的条件下，考虑适当增加泄水量与排沙量，要求大坝泄水孔底槛高程尽量降低。
1957年7月，水利部遵照周恩来总理和李富春副总理的指示，对水库的各种规划方案、水库上游浸没影响、下游河道整治等问题作了进一步研究。同时国务院水土保持委员会召开陕、甘、晋、豫四省会议，对黄河流域水土保持近期计划作了讨论。水利部将上述意见进行综合，向国务院提出关于三门峡水利枢纽问题的报告。11月23日国务院将报告批转给陕、豫、晋、冀、鲁、甘等省，批示中特别指出三个问题：正常高水位究竟多少妥当?水库蓄水后是否影响土地沼泽化、盐碱化及工厂建筑?考虑水库泥沙淤积迅速，上中游水土保持速度以及下游河道淤积和泥沙入海问题。要求各省组织讨论，提出意见报国务院，争取早日定案。此后陕西省回文提出以下意见：水土保持减沙效益，原来预计1967年达20％，50年后达50％，现在认为有可能加快，因此可缩小三门峡水库淤积库容；水库回水末端泥沙淤积将逐渐向上游延伸，库水位350米时，渭河两岸浸没影响可达15～30公里，西安市北郊375米高程地带的工业区，很可能受到影响；建议正常高水位按350米设计，340米建成，可减少淹没耕地46％，减少迁移人口50％。其它省分歧意见不大。
此时三门峡工程已正式开工，开挖石方74万立方米，土方500万立方米，按360米方案已浇筑大坝混凝土3万立方米。如再改变设计条件，势必造成很大损失。因为有不同意见，周恩来于1958年4月21～25日在三门峡工地召开现场会议，亲自听取各方意见，并强调“特别要听取反面意见”。陕、豫、晋、水电部、黄河水利委员会、三门峡工程局的负责人及有关方面的专家都发了言，彭德怀副总理、习仲勋秘书长也参加会议并讲了话。周恩来最后总结发言，认为三门峡水库到现在还有争论，“其原因就是因为规划的时候，对一个最难治的河，各方面研究不够造成的”。他阐述了上游和下游、一般洪水与特大洪水、防洪与兴利、局部和整体、战略和战术等问题的辩证统一关系，明确指出三门峡工程应以“防洪为主，其它为辅”，“先防洪，后综合利用”，“确保西安，确保下游”为原则。还特别强调“不能孤立的解决三门峡问题”，不能“一搞三门峡就只依靠三门峡”，“要同时加紧进行水土保持、整治河道和修建黄河干支流水库”，并亲自布置尽快搞出这三个规划。周恩来多次提出降低泄水孔底槛高程的问题，苏联方面认为闸门启闭有困难，最多只能降到310米，周恩来再次强调：“还可以继续争一争，看是不是能降到300米”。
1958年6月，在周恩来主持下，又邀集有关各省负责人进一步交换意见。根据周恩来主持的两次讨论会上明确的几条原则，最后一致同意：大坝按正常高水位360米设计，350米施工，1967年前水库最高运用水位不超过340米，死水位降为325米（原设计335米），泄水孔底槛高程降为300米（原设计320米）。为使拦洪蓄水问题处理得更好，1959年8月，国家经济委员会召集有关部门开会讨论1960年三门峡水库拦洪蓄水问题；周恩来于10月13日，在三门峡工地召开中央有关部门与河南、陕西、山西等省委负责同志参加的现场会。经过讨论并经中央批准，确定1960年汛前移民高程为335米，最高拦洪水位不超过333米。
二、施工
根据第一届全国人民代表大会第二次会议通过的决议，1956年5月成立三门峡工程局，开始施工前的准备工作，刘子厚任局长兼党委第一书记，第二书记张海峰，第三书记王化云，肖文玉任副书记，王化云、齐文川、谢辉、张铁铮任副局长，汪胡桢任总工程师。1957年4月13日，三门峡工程正式开工修建。先修筑第一期围堰，开挖左岸溢流坝段的基坑。1958年3月17日，开始浇筑大坝混凝土，10月以前完成梳齿、隔墩、隔墙、护坦等浇筑任务。11月17日开始截流，原设计截流流量为1000立方米／秒，实际最大流量达2030立方米／秒，最大流速6.86米／秒，神门河龙口上下游水位差达4.3米，经过六昼夜连续作战，神门河被拦腰截断，接着又完成神门、鬼门临时泄水道的截流任务，三门峡工程截流成功。
三门峡工程的修建得到全国人民支援。施工队伍由官厅、陡河、狮子滩、梅山、大伙房等水利水电工地抽调精干队伍组成，机械修配厂的技术工人由北京、上海、辽宁等5个省、市200多家工厂调集，豫、鲁、冀三省还从农业战线抽调6000多名青壮劳力支援。23个省、市、自治区80多个大中城市的300多家厂矿企业和铁路等交通运输部门优先保证供应工程需要的物资器材。
三门峡工程是当时国内修建的规模最大、技术最复杂、机械化水平最高的水利枢纽工程，25吨塔式起重机、25吨自卸汽车、20吨缆索起重机、3立方米电铲、一昼夜生产6000立方米混凝土的自动化拌和楼等新型机械设备，都是首次在中国水利水电工地出现。工程修建中有一套严格的质量检查、验收制度，每道工序必须由质量检查员签发合格证后才能进行下一道工序。
1959年7月拦河大坝浇筑到310米高程，次年6月大坝浇筑到340米高程，实现全部拦洪作用，年底大坝全部浇至353米高程。1961年10月完成水轮机转子的焊接任务。1962年2月，第一台15万千瓦发电机组安装完毕，进行试运转（后因三门峡水库改变运用方式，这台机组拆除，改装到丹江口水电站），三门峡工程基本建成。
三、改建
三门峡水库从1960年9月开始蓄水运用后，1961年2月9日最高蓄水位达332.58米。由于对水库运用缺乏经验，对来水来沙情况估计不足，1961年汛期从8月27日就开始关闸蓄水，10月21日坝前水位已达332.53米，时逢库区上游降暴雨，黄、渭并涨，沙量比较大，渭河口形成拦沙坎，库区淤积出现“翘尾巴”现象，回水影响范围扩大，渭南一带库区生产遭受损失。1962年3月，水电部决定三门峡水库的运用方式由“蓄水拦沙”改为“滞洪排沙”。4月，在全国二届人大三次会议上，陕西省代表提案要求三门峡工程增建泄洪排沙设施。会后周恩来总理亲自召集有关人员座谈三门峡水库问题。水电部于1962年8月和次年7月先后两次在北京召开有关三门峡水利枢纽问题的技术讨论会，绝大多数人认为三门峡水库的运用方式由“蓄水拦沙”改为“滞洪排沙”是正确的，但对于是否要增建泄流排沙设施，以及增建的规模等问题分歧较大。1964年6月，水电部在三门峡现场又召开技术讨论会，对工程改建方案继续进行讨论。8月初，水电部党组召开扩大会议，讨论三门峡水利枢纽改建和治黄方向问题。此时，三门峡水库库区淤积已很严重：335米高程以下约损失库容40％，潼关河床高程抬高了4.5米，预计的水土保持和“五大五小”拦泥库减沙效益基本未实现。改建三门峡工程迫在眉睫。
根据周恩来总理的指示，1964年12月在北京召开治黄会议。会上大多数同志都同意改建，但也出现两种极端意见：一种主张按原设计运用，维持现状；另一种主张把三门峡大坝全部拆除。周恩来对各种意见作了分析，教育大家看问题要有全局观点。他说：提出的两洞四管改建方案“是在想不出好办法的情况下的救急办法。改建有利于解决问题，不动就没有法解决问题”。“时机不能再等，必须下决心”。最后依次征求有关各省和业务部门领导人的意见，决定批准两洞四管改建方案：在左岸增建两条隧洞，改建坝身4条发电引水钢管用于泄流排沙。
第一期改建工程由水电部北京勘测设计院设计，由三门峡工程局施工。增建的两条隧洞于1967年、1968年汛期先后建成投入运用。改建的4根钢管于1966年7月投入运用（1978年又将用于泄洪排沙的5号钢管改建为发电引水压力钢管）。经过一期改建，枢纽工程的泄流能力增大，当坝前水位315米时下泄流量可达6000立方米／秒，但仍不能完全解决问题。到1969年，335米高程以下库容已损失近半，按当时泄水能力计算，在一般洪水年份情况下仍将增加潼关河床的淤积。
1969年6月，周恩来总理委托河南省革命委员会负责人在三门峡召开陕、晋、豫、鲁四省和水电部参加的会议，就工程的进一步改建和运用原则进行讨论协商。会议认为，三门峡工程需要进一步改建。改建原则是：在确保西安、确保下游的前提下，合理防洪、排沙放淤、径流发电；改建要求：在坝前315米水位时下泄流量达到10000立方米／秒；工程措施：打开8个导流底孔，在不影响潼关水位前提下利用低水头径流发电，安装4台机组，装机容量20万千瓦（后又增加1台机组）。
第二期改建工程于1969年12月开工，至1971年10月，先后打开8个导流底孔投入泄流排沙运用。1973年12月第一台机组发电，1978年12月5台机组全部安装完毕投入运用。经过增建和改建，库水位315米时，泄流能力可达10000立方米／秒。
四、效益
三门峡水库运用历经蓄水拦沙、滞洪排沙、蓄清排浑控制运用三个阶段。1960.9～1962.3为蓄水拦沙运用阶段：水库最高蓄水位332.58米，库区淤积泥沙14.9亿立方米（断面法成果，下同）。1962.4～1973.10为滞洪排沙运用阶段：最高库水位327.91米，库区淤积泥沙34.3亿立方米，其中潼关以上23亿立方米，潼关以下11.3亿立方米。1973年11月以后，水库实行蓄清排浑控制运用方式，即非汛期泥沙少的时候关闭闸门蓄水，汛期泥沙多的时候，开启闸门降低水位泄洪排沙，使年内泥沙冲淤基本达到平衡，创造了利用水库调水调沙的新经验。汛期水位一般不超过305米，必要时降到300米，非汛期水位控制不超过326米，结合防凌进行春灌蓄水，一般在324米左右。
两期改建获得成功，库区淤积得到控制，潼关以下经过冲刷形成高滩深槽，库容恢复约10亿立方米，潼关河床高程下降2米，淤积末端上延也趋稳定。以330米高程为例，该高程以下约20亿立方米的槽库容可以长期保持，连同一般情况下不致损失的滩库容10亿立方米，共有约30亿立方米的库容可供调节运用发挥综合效益。三门峡水库的实践证明，在黄河上修水库不会被泥沙完全淤废，可以长期保持一定的有效库容。
三门峡水库已成为黄河下游防洪工程体系的重要组成部分：三门峡以上如发生万年一遇洪水时，敞开闸门泄洪，最大只能下泄14000立方米／秒，可大大减轻下游防洪负担；当预报下游花园口站可能发生超过22000立方米／秒洪水时，可根据上、下游来水情况，关闭部分或全部闸门；对三门峡以下百年一遇洪水，三门峡水库与伊河陆浑水库、洛河故县水库联合运用，可使花园口站洪峰流量由27000立方米／秒削减到20000立方米／秒左右。1964年以后，潼关站入库流量曾有6次大于10000立方米／秒，由于三门峡水库的滞洪作用最大下泄流量8900立方米／秒，减轻了下游防洪负担和漫滩淹没损失。
三门峡工程兴建前，下游防凌措施除加强大堤防守外主要靠人工破冰，效果较差。三门峡水库建成后，防凌措施逐步改为以水库调节下游水量为主、人工破冰为辅。1967～1987年，凌情严重的有6年，河道最大冰量均在4000万立方米以上，封冻长度超过400公里，利用三门峡水库调节，最高防凌蓄水位327.91米，相应蓄水量18.1亿立方米，加上其它措施，6次严重凌汛都被战胜，保证了防凌安全。
1973年以后，三门峡水库结合防凌春灌蓄水，对缓和下游引黄灌溉和郑州、开封、济南、东营等沿河城市及胜利油田等工业供水的紧张状况发挥了重要作用：平均每年蓄水量14亿立方米，5月、6月枯水期可补给下游水量约10亿立方米，提高5月、6月枯水流量200～300立方米／秒，按抗旱浇水定额每亩100立方米计算，可增加抗旱灌溉面积1000万亩。
利用低水头径流发电：1973.12～1979.1已有5台机组先后投入运转，共装机25万千瓦。截止1986年发电已超过100亿度，产值6亿多元，相当于工程总投资的一半以上，在一定程度上缓和了中原电网的供电紧张状况。
五、枢纽管理
1983年以前，枢纽管理工作由三门峡工程局负责。水库蓄泄运用初期由水电部直接调度，后由黄河水利委员会调度。1973年12月第一台机组发电并网，由水利部第十一工程局管理。1977年1月成立三门峡水力发电厂，负责电站运行管理，同年4月归属河南省电力工业管理局。水利枢纽工程的管理维修仍由十一工程局第三工程处负责。1983年后成立三门峡水利枢纽管理局，属黄河水利委员会建制，统一负责枢纽和电站管理，第十一工程局第三工程处划归三门峡水利枢纽管理局，更名为大坝管理分局。