特征
怀柔水库为京郊主要水利工程之一，位北京市怀柔县城四侧，控制流域面积540平方公里，蓄水面积12平方公里，总库容1亿立方米。1958年3月9日开工，大坝于同年7月19日完工，历时130天。1990年主坝加高后，总库容1.4亿立方米。
主要建筑
主要有主坝、副坝、溢洪道、输水隧洞、进水问、放水闸等工程。
主坝为粘土斜墙砂砾料土坝，东琪龙山，西抵凤山，坝长1038米。最大坝高21米，坝顶宽5米，坝顶高程66米，坝体填筑量144万立方米。防渗槽大部做在河床以下6米深的粘性土层上，局部槽深达14米左右。
副坝共3座，均为粘土均质坝。其中1号副坝处，原为由怀柔县城去沙峪川的跻口，最大坝高10米，坝长120米；2号副坝处，原为去钓鱼台路口，最大坝高3.5米，坝长220米；3号副坝最大坝高22米，坝长80米。
主坝东端龙山西侧脚下设有东溢洪道，1958年建成后，1964年进行了改建，装有两扇7.4米X4.3米的弧形钢闸门，堰顶高程58米，最大泄洪量401立方米每秒。
1990年又进行了第二次改建。西溢洪道建于1964年，位于主坝西端，开挖全长750米，设两扇12米X6.3米弧形闸门，最大泄洪量890立方米每秒。
主坝西侧，建有输水隧洞。洞径2.5米，洞长101米，进口设有水塔，装有2.5米X2.5米闸门，进日底板高程为52米，最大泄洪量为52立方米每秒，为灌溉和泄洪两用设施。
水系
怀柔水库位于潮白河支流怀河山峡出口、怀九河与怀沙河交汇处。
怀河主要流经北京市怀柔区境内。怀柔水库以上，由怀九河、怀沙河两条支流组成。怀九河、怀沙河原在县城西汇合后。
1958年修建怀柔水库，两支流汇合于水库，出库后为怀河，贯穿怀柔区，过史家口南入潮白河，怀河曾称西大河、朝鲤河、七渡河。
怀柔水库建成后，改为怀河。怀河全长以最长支流怀九河上源计为80.9公里，怀柔境内64公里；流域面积1042.6平方公里，怀柔境内578.3平方公里，河床纵坡2.1-2.4/1000。修建怀柔水库后，怀河下游仍负担怀柔水库的泄洪任务。
建设维修
初建过程
1958年2月下旬，怀柔水库由河北省、北京市共同组织了施工指挥部。施工民工来自怀柔、顺义、通县、三河、香河、大厂、大兴、因安、蓟县、平谷、密云等12个县区的3477个农业社，共63273人。
此外参加施工劳动的还有工人455人，人民解放军指战员5000人，学生1181人。
1958年2月18日决定修建怀柔水库。3月9日，在大坝东溢洪道外侧举行了开工典礼。
施工以民办公助的形式，数万民工，自带手推车4.08万辆，抬筐2.54万付，锨镐4.98万把，马车1023辆，大牲畜1943头，苇席7.6万领，绳子12.2万公斤，国家每天每人只补助伙食费0.4元。
所有民工100多天不换班，上坝的土石料，依靠人力手推车、马车日夜奋战来完成，碾压工具仅1台1.75吨的夯板机、66台碾压机，200个碌碡和少数拖拉机、推土机、石夯等。
二座副坝由于工力不足，延至后期施工。其中3号副坝坝址，担负着施丁导流任务，直到6月28日才开始断流施工。当时正值雨季，至7月初，水库水位迅涨，尚未完工的二号副坝尚不能
抵御洪水，导流口距县城只200米，县城及下游村庄处于危险之中。
广大干部群众奋战一界昼夜，用4万多条草袋在3号副坝处建起一道临时拦洪坝，第一次抵御了建库以来的洪水袭击。进水闸、输水隧洞分别于7月7日与7月15日完工，溢洪道与消力池下程至9月16日方告结束。
此次修建工程共完成土石、混凝土等工程量约200万立方米，总用工约600万工日，实际投资约480万元。
施工中，涌现出许多动人的事迹。1958年6月26日，周恩来总理来施工现场视察，深入劳动大军中慰问民工，并亲笔题写了“怀柔水库”四个大字。
1958年7月20日，大坝完工，举行了落成典礼，国务院副总理薄一波出席了大会，并为落成典礼剪彩。
修建怀柔水库，有钓鱼台、潘各台、杨各长等8个村，576户，2572口人迁移出库区。
改建加固
1963年8月，国家水电部对怀柔水库进行复核后认为：水库应为二级水工建筑物，防洪标准六采用百年设汁、千年校核。原水文计算对上游水土保护效果估计偏高，设计洪水峰量值偏小，长副坝修建标准偏低，渡汛尚不安全。
1963年北京市政府批准对水库进行改建，由市政设计院设计，市水利工程总队与怀柔县、平谷县共同组织施工。
改建工程内容：扩建东溢洪道，新建西溢洪道。东溢洪道改建原溢洪曲面和消力池，新建下游侧墙及防冲槽，整修原泄洪渠堤，启闭机改装为手动、电动两用机，改建输水洞进口段衬砌和隧洞进水塔与主坝间交通道，新建正常用闸门一扇。
整修主坝原有坝顶及坝面护坡石，对右坝头及坝基进行防渗处理，整修进水闸门等。
全部改建工程于1964年12月底基本结束，共完成石方开挖7.7万立力米，土方34.39万立方米，钢筋混凝土2.56万立方米，砌石2.37万立方米，总用工62.77万T日，投资约500万元。
水库主坝、副坝工程在1976年、1990年进行了两次加高加固。1976年第一次加高时完成主坝加高1米，坝顶高程由65米加高到66米，防浪墙顶由66米加高到67.2米。
二座副坝总加高2米。全部工程总用工12.1万个工日，投资85万元。
这次加高后，如遇千年一遇的洪水，水位超过65米高程时，仍需由1号副坝以北长约900米的长副坝丘陵地自然分洪，沿县城东北泄入雁栖河。为彻底解决问题，经国务院批准，1990年又进行了第二次主坝加高1米的工程。
工程效益
随着首都建设的发展，城市供水不足的矛盾日益突出。
1960年密云水库建成，白河引水渠扩建为京密引水渠，联通怀柔水库并向下游延伸，成为横贯密云、怀柔、顺义、昌平、海峡等县区向北京城市供水的重要渠道，怀柔水库成为密云水库向北京供水的大调节库。
密云水库、怀柔水库与京密引水渠的联合运用，部分解决了北京市的工业用水、生活用水和首都国家机关、外国驻华使馆及其它办事机构和社会各界在京单位的用水问题。
1984年，在怀柔水库西溢洪道西侧，建成北京市水源九厂，年向首都供水3.6亿立方米，怀柔水库成为首都水资源基地之一。
作为南水北调配套密云水库调蓄工程（起点为团城湖调节池，终点为密云水库，全长103公里，主要是通过京密引水渠向密云水库反向输水，回补水源）的中间节点，怀柔水库起着重要的调蓄作用。
怀柔水库至终点密云水库，新建有22公里直径为2.6米的输水管道，在管道两端加设了两个高扬程泵站，并于2014年3月全部完成验收，实现了高效输水。
怀柔水库建成后，灌溉怀柔、顺义、通县农田130万亩。年产商品鱼约10万公斤~17万公斤。
怀柔水库从建成至1985年的27年中，入库洪峰流量大于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，洪峰流量达4245立方米每秒，比1939年2400立方米每秒还多1845立方米每秒，但均未发生洪害。怀柔水库的修建，对怀河下游的防洪安全发挥了重大作用，对潮白河也起到削洪错峰的作用。
怀柔水库建成后，水量丰沛，水域宽广，风光秀丽，在北京水利建设史上，占有重要位置。它改善了县城的环境，使县城依山傍水，空气湿润清新，具有全国县城少有的独特环境。利用这个特点，县城已逐步形成京郊重要的旅游和会议中心之一。
