在專案設計上，工程師們早就已經有先見之明，為了保證北調的水不被損耗，工程師們設計了許多個人工湖泊來儲蓄水資源，同時在河道上安裝了體量巨大的抽水泵，所有的水泵組成了世界上最大的泵站群，有了這些泵站群，一個個大體量的水泵就可以將水從長江當中抽出來，一個泵接住一個泵地將水逐級抽到相應的高度，引水到了相應的地勢之後，水便可自流，由此就實現了南水的逆流北上。

中線總乾渠長1277千米，渠首水位147.38米，終點團城湖水位49.5米，輸水線路如此之長，調水規模如此之大，落差卻只有不到100米，可見長江水要進京，有多麼的不容易。

南水北調中線的特點是，全程採用“自流”方式，即讓水自動北流。為了減少沿線的水頭損失和滲漏，渠道全線按不同土質，分別採用混凝土、噴漿抹面等方式進行全斷面襯砌。總乾渠黃河以南縱坡1/25000，黃河以北1/30000至1/15000。

為了達到渠道縱坡要求，實現南水自流向北，遇到地勢高的地方就要削平，所謂逢山開路。河南境內的方城埡口是南水北送的咽喉要地，早在北宋時，宋太宗就想從方城埡口挖通渠道，引水北上，據傳當年徵調10萬人挖了一百多里，終因土硬石堅，未能成功，千年之後這一難題終於被攻克。

遇到地勢低的地方，則需要遇水架橋，渡槽就是這所謂的“橋”。渡槽，也叫過水橋，是輸送渠道水流跨越河流、溝谷、窪地、道路等障礙的架空水槽。

為保證渠道內的水不受沿線河流水的汙染，中線工程渠道主要採用渡槽等方式橫跨河流。位於河南魯山縣內的沙河渡槽是當今世界上綜合規模最大的渡槽，被譽為“世界第一渡槽”。它橫跨沙河、大浪河、將相河三條大河，全長9.05公里，如同一條巨龍橫空，是中原大地上的一道奇觀。沙河渡槽也是中線工程中規模最大、技術難度最複雜的控制性工程之一，單是將重達1200噸的U型渡槽安全運輸、吊裝到沙河之上，就已經是一項重大工程難題。最終這一難題被工程師們克服，創造了水利工程施工史上的又一奇蹟。

這裡也要介紹一下另一種河渠交叉建築物——倒虹吸。當渠道與道路或其它河渠高程相近，需要平面交叉透過時，需要一種建築物引導水流從道路或河渠地下穿過，此建築物就是倒虹吸。倒虹吸的上游入口高程稍高於下游出口，其工作原理是藉助上下游的水位差，使水流先下降再上升透過建築物。其原理類似於虹吸，但不用人為製造真空，因而應用廣泛，中線工程總乾渠穿越白河干流就是採用倒虹吸工程。