工程从黄河万家寨水利枢纽库区取水，经总干线、南干线和北干线分别为太原、大同、朔州3个城市和能源基地供水，年供水量12亿m3，解决山西省水资源紧缺和能源基地建设用水及部分城市居民的生活用水。
总干线自万家寨往东地形地貌极为复杂，沿总干线分布的地层有寒武系、奥陶系、石炭系、第三系及第四系Q2、Q3中强弱湿陷性黄土；岩层平缓，总体向西倾斜，倾角3°～8°，局部可达38°。南干线1号、2号、3号、4号、5号隧洞主要在寒武系崮山、长山、凤山组地层中通过，地层新鲜完整，多为厚层状或少数薄层状的灰岩和页岩，隧洞埋深多在100m～350m；6号、7号洞段主要有奥陶系页岩、白云质灰岩、白云岩及N2、Q2、Q3等沉积物，6号洞岩溶发育，7号洞段主要有石盒子组和石千峰组，地层中有膨胀岩及砂岩夹泥页岩地层。北干线1号隧洞下土寨至大梁段长30.6km，隧洞线横贯另山背斜；核部为片麻岩及侵入岩，东西两侧为寒武系及奥陶系地层；地下水水位较高的洞段长约22km，富水性一般较弱，但很不均一。自大梁水库起，隧洞依次穿过的地层为奥陶系中统上马家沟中上段中薄层灰岩系统本溪组砂、泥岩夹煤层，上统太原组砂岩、泥岩及煤层；二迭系下统山西组砂岩夹煤层，下石盒子组砂岩及泥页岩。
工程由总干线及向大同、朔州两市供水的北干线，以及向太原市供水的南干线和连接段组成。引水线路总长约314km，其中隧洞长约192km，还有泵站、调节水库、渡槽、电站、倒虹吸、水闸等100多座建筑物(见图)。
总干线由20座建筑物组成，其中泵站3座(参见引黄入晋泵站工程)；隧洞11条，其中有压隧洞4条，无压隧洞7条，总长约42km；渡槽4座，总长0.55km；日调节水库1座，调节库容为14.7万m3；分水闸1座。
南干线从总干线末端的分水闸起点，向南经偏关、平鲁、神池、宁武等县(区)至头马营人汾河，由16座建筑物组成，其中泵站2座；无压隧洞7条，长约97.5km；渡槽3座，长1.12km；埋涵3座，长1.31km，7号洞出口控制闸门1座；明渠段长0.47km。
连接段工程自南干线7号洞头马营出口至太原市呼延水厂，长138.6km，其中利用天然河道输水81.2km，输水管(洞)线长57.4km。
北干线自下土寨分水闸穿过吕梁山，经大梁水库和朔州至大同赵家小村水库，全长约167km，其中地下泵站1座(机组容量7.5MW)，水电站1座(装机容量12.8MW，年发电量1亿kW·h)；隧洞6条，长52km；埋涵36段，长100km；倒虹吸4座；渡槽33座。工程分两期实施。一期工程自1993年～2002年，建成输水线路全长285.6km，其中总干线44.35km，南干线的下土寨分水闸至头马营隧洞出口段长102.08km，头马营至呼延水厂的连接段长138.6km，建成总干线上的申同嘴水库；建成总干线一级、二级、三级泵站及南干线一级、二级泵站的土建工程，各站安装3台机组，共计15台机组及其配套设备；完成总干、南干、连接段全线自动化工程，实现向太原供水3.2亿m3的目标。
在一期工程隧洞建设中部分洞段采用了双护盾掘进机进行全断面掘进，其他洞段推广使用了光面爆破、锚喷、模喷支护、监测自动化等新技术、新材料、新工艺及新的设计和施工方法。总干、南干、连接段主要工程量：土石方量1541万m3，其中洞挖量515万m3；混凝土量206万m3；预应力钢套筒高压输水管道长43km，直径3m。工程总投资124.78亿元。
