密云水库位于北京市密云区城区北16公里处，横跨潮河和白河。是北京主要水源，1985年被列为一级水源保护区。按千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核，设计水位157.5m。挡水建筑物的两座主坝，五座副坝，总长4559.8m。输水建筑物有：白河发电输水隧洞，潮河输水隧洞，水九引水隧洞。泄水建筑物有：第一、二、三溢洪道，走马庄隧洞（不参加泄洪），白河泄空隧洞，潮河泄空隧洞，潮河人防洞。
1949年之后，中华人民共和国中央政府出于战略水源储备及河水治理的需要，于1958年9月1日汛后开始兴建密云水库，开工时定下了“一年拦洪、两年建成”的时限。经过10个月的京冀28个区县20万民工奋战，到1959年6月底汛期到来时，潮河主坝和几座副坝已修筑到预定高程。1959年的汛期，潮白河再发历史大洪水。1959年7月的第一次洪峰就冲毁了围堰；进入8月，上游连续暴雨，入库流量达每秒3100立方米。已建成的水库大坝把洪峰流量消减到只剩十分之一下泄，拦蓄了8亿多立方米的洪峰水量。1960年9月建成。密云水库建设工程由清华大学水利系设计，北京、天津、河北的大量民工、水利电力部工程局参与建设。
密云水库兴建时的目的是防洪、灌溉、发电、养鱼。当时北京城区供水靠地下水及官厅水库就足以解决。
1974年，水库蓄水量达到32.44亿立方米。1975年增设第三溢洪道。1976年7月唐山大地震密云水库白河主坝发生了溜坡险情，动员了解放军、当地农民社员、北京城区机关干部40余万人加固抢险白河主坝，增设潮、白河泄空隧洞及潮河人防洞。为此，密云水库放空了库区蓄水。此后5年，华北及潮白河流域连年特大干旱，密云水库来水稀少，至1981年密云水库蓄水仅有3.3亿立方米。北京城区供水也到了极危急时刻。1981年8月11日国务院召集京津冀三省市召开紧急会议，决定密云水库停止向津冀农业灌溉供水，“弃农压工保生活”，改为保证北京生活用水供应。从此至今，密云水库每年都雷打不动地为北京提供6到8亿立方米饮用水。1985年，北京出台《北京市密云水库、怀柔水库、京密引水渠水源保护暂行办法》，将密云水库、官厅水库和京密引水渠划为一类水源保护区。现在，密云水库为全封闭管理，禁止无关人员接近水库水线，禁止养鱼，禁止坝上的商业、餐饮、娱乐开发。2003年，密云水库彻底清除了网箱养鱼。
从1959年6月大坝主体建成至今，潮白河上游共出现每秒1000立方米以上的大流量23次。尚未发生大于十年一遇的洪水。其中，相当于十年一遇的洪水有一次（1974年），介于五年到十年一遇的有两次（1964、1973），相当于五年一遇的有一次（1994），其余洪水均小于五年一遇。相对水库的设计洪水标准（千年一遇）、下游潮白河河道防洪标准（五十年一遇）而言，建库以来所发生的洪水都是小洪水。1994年，密云水库建成以来最大入库洪峰每秒3670立方米。1994年9月16日，密云水库历史最大蓄水量33.58亿立方米，历史最高水位153.98米。现建有密云水库历史最高水位碑。
1998年后对部分挡水及输泄水建筑物进行了全面的安全加固。
潮白河是北京境内流域面积最大的一条河流，历史上对两岸的人民生活造成灾害性影响。为了改变流域状况，保证人民生产生活的顺利进行，中央决定在密云县修建水库。主体建筑按照千年一遇设计，坝体抗震烈度8级设防。
水库面积188平方公里，常年水面面积9133万平方米，最大蓄水面积285平方公里。库容43.75亿立方米。深度40-60米，为华北地区最大的水库，控制潮河、白河上游15788平方公里流域的洪水。
分白河、潮河和内湖3个库区，内湖库区有库心岛。有两座主坝：白河主坝（高66米，坝顶长960米）和潮河主坝；北白岩、走马庄、西石骆驼、南石骆驼、九松山5座副坝，3座溢洪道，6条输水隧洞，两座电站和一个调节池。白河主坝。
沿库修有长110公里的环库公路。
