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。
南水北調中線工程從加壩擴容後的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿規劃線路開挖渠道輸水，沿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，可基本自流到北京、天津。南水北調中線主體工程由水源區工程和輸水工程兩大部分組成。水源區工程為丹江口水利樞紐後期續建和漢江中下遊補償工程；輸水工程即引漢總幹渠和天津幹渠。
在丹江口水庫後期規模完建，正常蓄水位170米的條件下，考慮2020年發展水平在漢江中下遊適當做些補償工程，保證調出區工農業發展、航運及環境用水後，中線工程多年平均可調出水量141.4億立方米，一般枯水年（保證率75%），可調出水量約110億立方米。供水範圍主要是唐白河平原和黃淮海平原的西中部，供水區總麵積約15.5萬平方千米。因引漢水量有限，不能滿足規劃供水區內的需水要求，隻能以供京、津、冀、豫、鄂五省市的城市生活和工業用水為主，兼顧部分地區農業及其他用水。中線工程可緩解京、津等華北地區水資源危機，並大大改善供水區生態環境和投資環境，推動中部地區的經濟發展。
南水北調中線工程分兩期實施。第一期工程以解決沿線主要城市供水為目標，從長江支流漢江上的丹江口水庫引水，沿伏牛山和太行山山前平原開渠輸水，終點北京。工程包括：丹江口大壩加高，分期分批安置移民，每年調水量達95億立方米，漢江中下遊補償項目和局部航道整治等。規劃2003～2010年實施。
按照南水北調中線一期工程可行性研究總報告批複，中線一期工程靜態投資1435億元，其中主體工程投資1365億元，配套工程投資70億元。目前，根據南水北調工程建設委員會確定的最新目標，中線一期工程2013年主體工程完工，2014年汛後通水。
二期工程在一期工程完工後開始建設，規劃在一期工程主渠道旁開挖一條輸水渠道，供農業生產用水，總調水量達到130億立方米左右。規劃2011～2030年實施，主體工程投資244億元。中線主體工程投資總計1161億元。
第三節 西線布局
南水北調西線工程的主要特點是調水量直接進入黃河，由於其高程高、覆蓋麵積大，加上黃河上遊有足夠的調節能力，所調入的水量與黃河上遊原有水量進行統一調度，優化配置，從而以緩解黃河流域及其鄰近地區缺水的矛盾。西線工程的難點是地形、地質條件複雜，工程十分艱巨，在高寒地區施工和管理的難度很大。同時，由於西線是調水進入黃河幹流河道，而並非直接送到受水區，因此水量的經濟效益分析和水價計算十分困難。
南水北調西線工程在長江上遊大渡河、雅礱江、通天河上築壩建水庫，通過隧洞引水穿過巴顏喀拉山，向黃河上遊補水。巴顏喀拉山南側長江上遊各引水河段的水麵高程比黃河的水位低80～450米。在大渡河、雅礱江、通天河上調水，需要修建150～300米的高壩和開鑿30～289千米的超長隧洞，穿過長江與黃河的分水嶺。西線工程的可調水量與引水壩址的位置有關，壩址越往下遊，海拔越低，水量越大，而離黃河越遠，工程規模越大。經研究，大渡河在海拔2900米附近，雅礱江、通天河在海拔3500～3600米，三條河的徑流總量約221億立方米。初步規劃三條河年平均可調水量為120億～170億立方米，其中大渡河30億～50億立方米，雅礱江35億～40億立方米，通天河為55億～80億立方米。
南水北調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、陝西、山西等六省（區）黃河上中遊地區和渭河關中平原的缺水問題。同時，隨著我國經濟建設重心向中西部地區轉移，黃河上中遊流域水資源的開發利用、水土保持生態環境建設步伐的加快和集雨工程的發展，勢必減少入黃河幹流的水量。西線工程除補充這部分水量外，還可解決幹流揚黃、自流引黃、黃河衝沙輸沙和生態環境用水。因此，西線工程的重點是補水幹流，解放支流，可以基本解決黃河流域的缺水矛盾。此外，還可結合在黃河上計劃興建的大柳樹水庫的調節作用，抬高黃河水位，向河西走廊供水。
南水北調西線工程規劃按三期建設。第一期工程調水40億立方米，規劃2020年完成，主體工程投資469億元。調水量主要優先供給工業、生活以及區域生態環境建設的需水。第二期工程調水50億立方米，規劃2030年完成，主體工程投資641億元，至此對黃河水量和西線調水量已有足夠的調節能力。第三期工程調水80億立方米，規劃2050年完成，主體工程投資1930億元。西線各期工程主體工程總投資達3040億元。
第四節 相互利流
南水北調工程的目的是從地處我國南部豐水的長江流域調出一部分水資源到幹旱缺水的北部地區，以改善北方幹旱地區的工業、農業、生產及生活供水條件，改善北方的生態環境。從長江下、中、上遊調水的東線、中線和西線三條調水線路，是經過近50年的勘測、規劃和研究工作，在分析比選了50多種規劃方案的基礎上逐步形成的。三條線將長江、黃河、淮河、海河四大江河聯係起來，形成“四橫三縱”的總體布局，以利於實現我國水資源南北調配、東西互濟的合理配置格局，協調北方地區東、中、西部可持續發展對水資源的需求。