特征
懷柔水庫為京郊主要水利工程之一，位北京市懷柔縣城四側，控制流域面積540平方公裡，蓄水面積12平方公裡，總庫容1億立方米。1958年3月9日開工，大壩于同年7月19日完工，曆時130天。1990年主壩加高後，總庫容1.4億立方米。
主要建築
主要有主壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞、進水問、放水閘等工程。
主壩為粘土斜牆砂礫料土壩，東琪龍山，西抵鳳山，壩長1038米。最大壩高21米，壩頂寬5米，壩頂高程66米，壩體填築量144萬立方米。防滲槽大部做在河床以下6米深的粘性土層上，局部槽深達14米左右。
副壩共3座，均為粘土均質壩。其中1号副壩處，原為由懷柔縣城去沙峪川的跻口，最大壩高10米，壩長120米；2号副壩處，原為去釣魚台路口，最大壩高3.5米，壩長220米；3号副壩最大壩高22米，壩長80米。
主壩東端龍山西側腳下設有東溢洪道，1958年建成後，1964年進行了改建，裝有兩扇7.4米X4.3米的弧形鋼閘門，堰頂高程58米，最大洩洪量401立方米每秒。
1990年又進行了第二次改建。西溢洪道建于1964年，位于主壩西端，開挖全長750米，設兩扇12米X6.3米弧形閘門，最大洩洪量890立方米每秒。
主壩西側，建有輸水隧洞。洞徑2.5米，洞長101米，進口設有水塔，裝有2.5米X2.5米閘門，進日底闆高程為52米，最大洩洪量為52立方米每秒，為灌溉和洩洪兩用設施。
水系
懷柔水庫位于潮白河支流懷河山峽出口、懷九河與懷沙河交彙處。
懷河主要流經北京市懷柔區境内。懷柔水庫以上，由懷九河、懷沙河兩條支流組成。懷九河、懷沙河原在縣城西彙合後。
1958年修建懷柔水庫，兩支流彙合于水庫，出庫後為懷河，貫穿懷柔區，過史家口南入潮白河，懷河曾稱西大河、朝鯉河、七渡河。
懷柔水庫建成後，改為懷河。懷河全長以最長支流懷九河上源計為80.9公裡，懷柔境内64公裡；流域面積1042.6平方公裡，懷柔境内578.3平方公裡，河床縱坡2.1-2.4/1000。修建懷柔水庫後，懷河下遊仍負擔懷柔水庫的洩洪任務。
建設維修
初建過程
1958年2月下旬，懷柔水庫由河北省、北京市共同組織了施工指揮部。施工民工來自懷柔、順義、通縣、三河、香河、大廠、大興、因安、薊縣、平谷、密雲等12個縣區的3477個農業社，共63273人。
此外參加施工勞動的還有工人455人，人民解放軍指戰員5000人，學生1181人。
1958年2月18日決定修建懷柔水庫。3月9日，在大壩東溢洪道外側舉行了開工典禮。
施工以民辦公助的形式，數萬民工，自帶手推車4.08萬輛，擡筐2.54萬付，鍁鎬4.98萬把，馬車1023輛，大牲畜1943頭，葦席7.6萬領，繩子12.2萬公斤，國家每天每人隻補助夥食費0.4元。
所有民工100多天不換班，上壩的土石料，依靠人力手推車、馬車日夜奮戰來完成，碾壓工具僅1台1.75噸的夯闆機、66台碾壓機，200個碌碡和少數拖拉機、推土機、石夯等。
二座副壩由于工力不足，延至後期施工。其中3号副壩壩址，擔負着施丁導流任務，直到6月28日才開始斷流施工。當時正值雨季，至7月初，水庫水位迅漲，尚未完工的二号副壩尚不能
抵禦洪水，導流口距縣城隻200米，縣城及下遊村莊處于危險之中。
廣大幹部群衆奮戰一界晝夜，用4萬多條草袋在3号副壩處建起一道臨時攔洪壩，第一次抵禦了建庫以來的洪水襲擊。進水閘、輸水隧洞分别于7月7日與7月15日完工，溢洪道與消力池下程至9月16日方告結束。
此次修建工程共完成土石、混凝土等工程量約200萬立方米，總用工約600萬工日，實際投資約480萬元。
施工中，湧現出許多動人的事迹。1958年6月26日，周恩來總理來施工現場視察，深入勞動大軍中慰問民工，并親筆題寫了“懷柔水庫”四個大字。
1958年7月20日，大壩完工，舉行了落成典禮，國務院副總理薄一波出席了大會，并為落成典禮剪彩。
修建懷柔水庫，有釣魚台、潘各台、楊各長等8個村，576戶，2572口人遷移出庫區。
改建加固
1963年8月，國家水電部對懷柔水庫進行複核後認為：水庫應為二級水工建築物，防洪标準六采用百年設汁、千年校核。原水文計算對上遊水土保護效果估計偏高，設計洪水峰量值偏小，長副壩修建标準偏低，渡汛尚不安全。
1963年北京市政府批準對水庫進行改建，由市政設計院設計，市水利工程總隊與懷柔縣、平谷縣共同組織施工。
改建工程内容：擴建東溢洪道，新建西溢洪道。東溢洪道改建原溢洪曲面和消力池，新建下遊側牆及防沖槽，整修原洩洪渠堤，啟閉機改裝為手動、電動兩用機，改建輸水洞進口段襯砌和隧洞進水塔與主壩間交通道，新建正常用閘門一扇。
整修主壩原有壩頂及壩面護坡石，對右壩頭及壩基進行防滲處理，整修進水閘門等。
全部改建工程于1964年12月底基本結束，共完成石方開挖7.7萬立力米，土方34.39萬立方米，鋼筋混凝土2.56萬立方米，砌石2.37萬立方米，總用工62.77萬T日，投資約500萬元。
水庫主壩、副壩工程在1976年、1990年進行了兩次加高加固。1976年第一次加高時完成主壩加高1米，壩頂高程由65米加高到66米，防浪牆頂由66米加高到67.2米。
二座副壩總加高2米。全部工程總用工12.1萬個工日，投資85萬元。
這次加高後，如遇千年一遇的洪水，水位超過65米高程時，仍需由1号副壩以北長約900米的長副壩丘陵地自然分洪，沿縣城東北洩入雁栖河。為徹底解決問題，經國務院批準，1990年又進行了第二次主壩加高1米的工程。
工程效益
随着首都建設的發展，城市供水不足的矛盾日益突出。
1960年密雲水庫建成，白河引水渠擴建為京密引水渠，聯通懷柔水庫并向下遊延伸，成為橫貫密雲、懷柔、順義、昌平、海峽等縣區向北京城市供水的重要渠道，懷柔水庫成為密雲水庫向北京供水的大調節庫。
密雲水庫、懷柔水庫與京密引水渠的聯合運用，部分解決了北京市的工業用水、生活用水和首都國家機關、外國駐華使館及其它辦事機構和社會各界在京單位的用水問題。
1984年，在懷柔水庫西溢洪道西側，建成北京市水源九廠，年向首都供水3.6億立方米，懷柔水庫成為首都水資源基地之一。
作為南水北調配套密雲水庫調蓄工程（起點為團城湖調節池，終點為密雲水庫，全長103公裡，主要是通過京密引水渠向密雲水庫反向輸水，回補水源）的中間節點，懷柔水庫起着重要的調蓄作用。
懷柔水庫至終點密雲水庫，新建有22公裡直徑為2.6米的輸水管道，在管道兩端加設了兩個高揚程泵站，并于2014年3月全部完成驗收，實現了高效輸水。
懷柔水庫建成後，灌溉懷柔、順義、通縣農田130萬畝。年産商品魚約10萬公斤~17萬公斤。
懷柔水庫從建成至1985年的27年中，入庫洪峰流量大于150立方米每秒的有14年，大于350立方米每秒的有10年，大于450立方米每秒的有6年。
最大的一年是1972年，洪峰流量達4245立方米每秒，比1939年2400立方米每秒還多1845立方米每秒，但均未發生洪害。懷柔水庫的修建，對懷河下遊的防洪安全發揮了重大作用，對潮白河也起到削洪錯峰的作用。
懷柔水庫建成後，水量豐沛，水域寬廣，風光秀麗，在北京水利建設史上，占有重要位置。它改善了縣城的環境，使縣城依山傍水，空氣濕潤清新，具有全國縣城少有的獨特環境。利用這個特點，縣城已逐步形成京郊重要的旅遊和會議中心之一。
