南水北調總體布局包括從宏觀構想到局部引水方案，是對水源、供水對象、線路和工程措施等進行具體研究逐步形成的。南水北調分東、中、西三條調水線，與長江、淮河、黃河、海河構成“四橫三縱、南北調配、東西互濟”的總體格局，形成中國的大水網，基本可以安全、經濟地解決北方缺水地區的需水和供水矛盾。三條調水線路並行不悖，有各自的主要任務和供水範圍，可互相補充，但不能互相代替，最終目標是實現長江、淮河、黃河、海河和內陸河水資源的合理配置。各調水線路方案根據社會生產力布局的現狀和發展要求，充分利用已有的工程條件，製定出向幹旱缺水地區供水的合理的工程措施。
第一節 東線布局
南水北調東線工程的特點是多級提水，水往高處流。主要優勢在於從長江下遊直接取水，水源可以保證；可充分利用江蘇已建的江水北調工程及大運河等水道，工程量和投入較少，技術不複雜且見效快。東線的難點是沿線水質汙染較嚴重，治理汙染成本較高；黃河以南需用電力泵站揚水，運行費用較高；因與江蘇省江水北調工程共用輸水河道、泵站和湖泊，運行管理比較複雜。
南水北調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向北延伸。東線工程從長江下遊的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，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，通過膠東地區輸水幹線經濟南輸水到煙台、威海。全線最高處東平湖水位與長江水位差約40米，抽水總揚程65米，規劃設13級泵站；在山東省位山附近的黃河河底建設倒虹隧道，江水穿過黃河；在黃河以北，地勢是南高北低，可順大運河或新擴建河道自流到天津，沿線新建、擴建千頃窪、大屯、大浪澱、浪窪、北大港五處平原水庫以調蓄來水。從長江到天津北大港水庫輸水主幹線長約1135千米，其中黃河以南625千米，穿黃段17千米，黃河以北493千米；分幹線總長約767千米，其中黃河以南601千米，黃河以北166千米。此外，為了向膠東供水，需從東平湖向西開辟膠東輸水分幹線，向濟南、青島、煙台、威海等膠東城市供水，輸水幹渠幹線、支線總長989千米。
東線工程供水範圍分為黃河以南、山東半島和黃河以北三片。主要供水目標是補充沿線城市生活環境和工業用水，並適當兼顧農業和其他用水。主要目標是提供沿線和山東半島的城鎮居民生活和工業用水；提高現有灌區的供水保證率，改善淮北地區的農業供水條件；結合輸水，恢複和提高京杭運河的通航能力；利用調水工程設施，提高沿線易澇地區的排澇能力，並在北方需要時提供農業和生態環境用水。根據東線工程供水目標和預測的當地來水量及需調水量，考慮受水區缺水形勢的發展和對水量、水質的要求，經多方案比較，確定東線工程先通後暢，逐步擴大規模，分三期實施。各期調水規模如下：
第一期工程：主要向江蘇和山東兩省供水。抽引江水500立方米/秒，過黃河50立方米/秒，送山東半島50立方米/秒，改善蘇北、魯西南農業用水條件。規劃2002～2007年實施，按照南水北調東線一期工程可行性研究總報告批複，東線一期工程靜態總投資383億元，其中主體工程靜態投資260億元，治汙工程投資123億元。目前，根據南水北調工程建設委員會確定的最新目標，調整東線一期工程2013年底通水。
第二期工程：供水範圍擴大至河北、天津。抽引江水規模擴大到600立方米/秒，過黃河100立方米/秒，到天津50立方米/秒，送山東半島50立方米/秒。規劃2011～2014年實施，主體工程投資124億元，治汙工程投資100億元，共計224億元。
第三期工程：增加北調水量，以滿足供水範圍內2030年水平年國民經濟發展對水的需求。工程規模擴大到抽引江水800立方米/秒，過黃河200立方米/秒，到天津100立方米/秒，向膠東地區供水90立方米/秒。規劃2031～2036年實施，主體工程投資116億元。南水北調東線工程總計投資660億元。
第二節 中線布局
南水北調中線工程具有自身獨特的優勢，一是適時供水調度安全可靠。丹江口水庫具有巨大的調節能力，主汛期除保證防洪外，調節庫容達98億立方米，汛後達190億立方米，可以承擔“充蓄”調節和“補償”調節的任務，確保供水調度安全可靠。二是中線具有得天獨厚的地理條件。總幹渠位於平原的西部，居高臨下，全線自流輸水，能控製華北廣大平原，線路與交叉河流全部采用立交工程，水質優，能保證城市生活和工業用水要求。中線工程的難點是一次建成，投資大，丹江口水庫加壩工程安置移民多，難度大。同時丹江口水庫難以進行多年調節，當南北方同豐同枯，或北豐南枯時，運作上有困難，年內供水也不能持續。一千幾百千米長的專用渠道上，無大水庫與之直接相連，調蓄、運行不太靈活。