經過上世紀50年代以來的勘測、規劃和研究，在分析比較50多種規劃方案的基礎上，分別在長江下游、中游、上游規劃了三個調水區，形成了南水北調工程東線、中線、西線三條調水線路。根據2002年國務院批復的《南水北調工程總體規劃》，通過東中西三條調水線路，與長江、淮河、黃河、海河相互聯接，構成我國中部地區水資源“四橫三縱、南北調配、東西互濟”的總體格局。
東線工程：利用江蘇省已有的江水北調工程，逐步擴大調水規模并延長輸水線路。東線工程從長江下游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送，并連接起調蓄作用的洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖。出東平湖后分兩路輸水：一路向北，在位山附近經隧洞穿過黃河，輸水到天津；另一路向東，通過膠東地區輸水干線經濟南輸水到煙臺、威海。一期工程調水主干線全長1466.50千米，其中長江至東平湖1045.36千米，黃河以北173.49千米，膠東輸水干線239.78千米，穿黃河段7.87千米。規劃分三期實施。
中線工程：從加壩擴容后的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿線開挖渠道，經唐白河流域西部過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西李村附近穿過黃河，沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津。輸水干線全長1431.945千米（其中，總干渠1276.414千米，天津輸水干線155.531千米）。規劃分兩期實施。
西線工程：在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫，開鑿穿過長江與黃河分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調長江水入黃河上游。西線工程的供水目標，主要是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西等6省（自治區）黃河上中游地區和渭河關中平原的缺水問題。結合興建黃河干流上的大柳樹水利樞紐等工程，還可以向臨近黃河流域的甘肅河西走廊地區供水，必要時也可相機向黃河下游補水。規劃分三期實施。
三條調水線路互為補充，不可替代。本著“三先三后”、適度從緊、需要與可能相結合的原則，南水北調工程規劃最終調水規模448億立方米，其中東線148億立方米，中線130億立方米，西線170億立方米，建設時間約需40～50年。整個工程將根據實際情況分期實施。