1964年6月14日，工程成本約32億元，座落於桃園縣龍潭、大溪、復興三鄉鎮之間，攔蓄大漢溪水的石門水庫舉行竣工典禮，同年6月30日本水庫移交由臺灣省石門水庫管理局接管，從此它成為桃園地區最重要的水源。
石門水庫集水面積763.4平方公里、滿水面積約8平方公里、原總庫容3億912萬立方公尺。360公尺長的土石壩橫跨在大漢溪上、最大壩高達133.1公尺，論壩高，它僅次於德基水庫，但德基水庫大壩是混凝土拱壩，因此它是壩高第一的土石壩；論庫容，它也僅次於曾文、翡翠水庫，生活在臺灣的人民絕對要重視它的情況。
一開始它就獲得極大的關注，1954年5月成立石門水庫設計委員會，展開本水庫規劃工作；1955年7月成立石門水庫建設籌備委員會；1956年7月成立建設委員會，籌備委員會及建設委員會都由當時的陳誠副總統兼任主任委員，層級相當高，但本水庫卻較其他水庫有更曲折、坎坷的特殊經歷。
本水庫最初規劃時，雖然洪峰以「可能最大流量」設計，但因水文資料年限不足，1963年5月15日封閉導水隧道開始蓄水後不久，就碰到葛樂禮颱風來襲（參閱1963年9月11日葛樂禮颱風），才驚覺排洪設施可能不足，因此在右岸再增建排洪能力各每秒1,200立方公尺隧道2條，將水庫的最大排洪能力由每秒11,400立方公尺增至每秒13,800立方公尺，才緩解排洪能力不足的問題。
本水庫雖是一座兼具灌溉、給水、發電、防洪、觀光的多目標水庫，但早期是以灌溉為主要標的，取水口設置較低，公共給水量每日僅約8萬6千立方公尺，而隨著社會情勢變遷，公共給水逐漸增加，2004年8月25日艾利颱風來襲（參閱2004年8月25日艾利颱風），本水庫集水區土石崩塌，大量漂流木、土石不但淤塞取水口等水利設施，而且原水濁度升高，超出淨水場處理能力，竟造成桃園地區連續18天缺水。
本水庫原取水口太低、水中泥沙含量太高的問題亟待解決，乃於2006年1月13日催生出「石門水庫及其集水區整治特別條例」，以特別預算新台幣250億元為上限，開始石門水庫及其集水區整治工作。該計畫分為3項子計畫，包括水庫庫區的緊急供水工程暨水庫更新改善、下游供水區的穩定供水設施與幹管改善、上游集水區的保育治理等，以徹底解決石門水庫問題（詳情可參閱石門水庫及其集水區整治計畫專屬網站）；其中重要工程有2009年12月23日完成增設一座3層的緊急取水設施(取水口高程分別為220公尺、228公尺及236公尺)，此設施可視原水濁度變化分層取水；2013年3月3日又舉行「電廠防淤第一期工程」竣工典禮，該工程將石門發電廠2號機組壓力鋼管改為排砂專管增加排砂；另外還有在水庫上游右岸有防淤防洪隧道的規劃，希望就由繞庫排砂的方式，來減輕水庫淤積、原水濁度太高的問題。
若以水庫比擬為衣服，本水庫可說是修改最多次的西裝，主要是沒有新西裝可以取代。水庫目前由水利署北區水資源局營運管理中，每年運轉都超過4次，也就是說，它供給水量是水庫庫容4倍以上，若水文條件不佳，很容易受乾旱之苦，尤其是最近幾年氣候變異，極端水情很可能發生，若桃園地區不能增加蓄水空間，缺水風險可說很高。
【補充說明】繞庫排砂：泥砂是水庫最可怕的殺手，而水庫自完工後，就開始泥砂淤積而不可避免地會逐步邁向死亡。水庫的防淤、清淤、排淤一直是水庫營運管理最重要的事項。水庫的防淤除了加強上游集水區的水土保持工作、建攔砂壩、以減少泥砂產生外，也可在大壩上游適當地點興建排砂隧道，洪水來臨、水質不佳時可經由此隧道將洪水繞經水庫而排放於下游，讓高含砂水流不會蓄積在水庫內。此種防淤的隧道還可增加排洪，適用於像石門水庫這種在槽水庫，而石門水庫也朝此規劃、建設繞庫排砂隧道。