南水北调西线工程是在20世纪50-60年代黄河水利委员会西部调水查勘的基础上缩小而成的。首先从长江上游干支流通天河、雅砻江、大渡河，向黄河上游调水，年调水规模190~200亿m³。进入新世纪以来调水规划开始向“靠下、自流、联合”的方向调整。江河源头分别位于巴颜喀拉山南北两侧，但巴颜喀拉山南麓要低于北侧为此需要利用青藏高原西高东低的地理大势，克服南北高差，通过库渠结合的方式，横绝巴颜喀拉山南麓金沙江、雅砻江、大渡河干支流，汇集诸水，向东经若尔盖湿地注入黄河。自3700米海拔开始，用隧洞沟通通天河，雅砻江及其支流和大渡河的四条支流，通天河和雅砻江的取水点下移，大渡河取水点上移，因此各河调水量也发生了变化，从保护下游生态环境的角度出发，调水规模有所缩小，总调水量为170亿立方米。工程共分三期，第一期从大渡河及雅砻江支流调水，第二期开凿第二条引水隧洞，从雅砻江调水，第三期开凿通-雅隧洞和新的雅-贾隧洞。在通雅大联合调水的基础上工程还可以现西南延伸，沟通怒江和澜沧江支流，通过自流或提水的方式实现从怒江，澜沧江调水，总调水量合计可达500~600亿m³。另外，甘肃省计划打通分水岭，从嘉陵江上游的白水江流域提水或自流引水10亿立方米进入洮河，再入黄河，或向渭河、祖厉河流域调水，这似乎也可能作为南水北调西线工程的一条支线。

西线调水路线位于长江、黄河之间的分水岭，因此，其主要特点可以归结为“高屋建瓴，南北两利”。西线工程的末端在若尔盖湿地，不仅可以向黄河补水。而且还可以直接经过有限的沟通工程，还可以向南——大渡河、岷江（引大入岷）、嘉陵江（经白龙江），东——汉江（经白龙江-西汉水-嘉陵江）供水，其供水范围包括整个黄淮海流域和长江流域北部的川、渝、鄂诸省市。因此，南水北调西线工程可誉为全国水网的战略中枢，若尔盖湿地是当之无愧的“中华水塔”。

中国降水格局往往出现“南旱北涝”与“南涝北旱”交替出现的格局。如果打通若尔盖湿地与白龙江的联系，当黄河流域发生洪水，出现“南旱北涝”格局时，可以将长江上游以及澜、怒二江（甚至黄河上游）的一部分径流引入嘉陵江流域，或南下为川中旱区供水，或向东进入汉江流域。同时，通过南水北调西线工程还可以向大渡河放水，并由“引大入岷”和都江堰工程，向川西平原和成都供水。

南水北调西线计划调水量年均170亿m³，相当于超过500m³/s的流量，若调水路线延伸到澜沧江、怒江流域，总调水量将达500~600亿m³，平均流量超过1500m³/s，相当于黄河上游的中常洪水，为此必须分水。

嘉陵江支流白龙江源头已经靠近黄河上游的松潘草地，即红军长征经过的巴西、包座等地，距离南水北调西线工程入黄口门不远，且之间没有高山大川阻隔，只需要几十公里的渠道和隧洞就可以与西线南水北调工程相连。从舟曲以下、白龙江与岷江（不是四川的岷江）汇合处的两河口，打几十公里的隧洞可以向嘉陵江另一条支流——西汉水补水。嘉陵江上游及其支流西汉水历史上曾是汉江流域的一部分，后为古嘉陵江袭夺。但今汉江源头距嘉陵江不远，在陕西省西南部略阳、宁强境内，嘉陵江与汉江之间还有1公里左右宽的谷地，分水岭之上还有河相卵石沉积层，即汉江古道也。沿汉江故道，并不需要太大的工程，就可以实现从嘉陵江上游及其西汉水向汉江上游的跨流域调水。

第二条分水路线是，经洮河，注入渭水，到陕西潼关再回到黄河干流，并向陇中旱区的祖厉河流域供水。

进入黄河干流的水量，可以为计划中的大柳树灌区提供水源。大柳树是我国最大的后备灌区，规划灌区在贺兰山两麓，以及陕甘宁交界处1300-1500m地带，并且可以深入内蒙古鄂尔多斯西部，这一带土地辽阔、人烟稀少、气候干旱、非常荒凉，但有水就有绿洲，也可以为我国陕甘蒙宁特大型能源基地建设提供生产生活用水。灌区水源为黄河黑山峡大柳树水库，有河东、河西两条总干渠。

河东总干渠将替代目前建成的固海扬黄和盐环定扬黄工程，将高扬程提水改为低扬程和自流灌溉，总干渠横跨清水河、苦水河河谷下游分出三条干渠，北为蒙宁干渠，进入鄂尔多斯西部，东为陕北干渠，沟通无定河流域，南为陇东干渠，深入陇东高原腹地，并能连通泾河、北洛河上游，形成深入黄土高原内部的供水系统。

河西总干渠也分出三条干渠，两条向北，迤逦于贺兰山东西两麓，一条向西，即民勤干渠，向石羊河流域调水。