南水北調源頭是江蘇省、湖北省和陝西省。東線工程的源頭是長江下游江蘇省揚州的長江水，中線工程的源是湖北省頭丹江口水庫，西線工程源頭是長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游。
一、東線工程
利用江蘇省已有的江水北調工程，逐步擴大調水規模並延長輸水線路。東線工程從長江下游揚州抽引長江水，利用京杭大運河及與其平行的河道逐級提水北送，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，在位山附近經隧洞穿過黃河；另一路向東，通過膠東地區輸水乾線經濟南輸水到煙台、威海。東線工程開工最早，並且有現成輸水道。
二、中線工程
從丹江口大壩加高後擴容的漢江丹江口水庫調水，經陶岔渠首閘(河南淅川縣九重鎮)，沿豫西南唐白河流域西側過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口後，經黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西孤柏嘴處穿過黃河，繼續沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到終點北京。中線工程主要向河南、河北、天津、北京4省市沿線的20餘座城市供水。中線工程已於2003年12月30日開工，計劃2013年年底前完成主體工程，2014年汛期後全線通水。
三、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、甘、寧、內蒙古、陝、晉等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骨幹水利樞紐工程，還可以向鄰近黃河流域的甘肅河西走廊地區供水，必要時也可及時向黃河下游補水。截至目前，還沒有開工建設。
