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公元1271年，崛起于漠北草原的蒙古族建立了元朝。元统治者定都于华北平原的北端大都（今北京）。由于“元都于燕，去江南极远，而百司庶府之繁，卫士编民之众，无不仰给予江南”（《元史食货志》），于是南粮北调运道的通畅与否便成了元朝政权能否巩固与维持的首要问题。元初，江南的粮食主要经过海路北运，自长江口的刘家港（今江苏太仓浏河镇）出海，绕山东半岛东端入渤海，在大沽进入海河，北循白河至芦沟河、白河汇合处的张家湾，再转至通州（今北京通县）入仓存储。这条海上运输线虽在费用上较陆运和内河航运节省许多，但因海上“风涛不测，盗贼出没”（《元史河渠志》），运输安全受到严重威胁，加之通州到大都之间不通水路，不得不依靠陆运，以致民夫“不胜其瘁”，“驴畜死者，不可胜计”（《元史河渠志》）。这就使得重新开通一条纵贯南北的大运河成为迫切的需要。
于是，元政府一方面，对可利用的原有运河进行了全面的疏浚和整修。这些河段主要包括直沽（今天津市）至临清的御河，扬州至淮安的淮扬运河，镇江至杭州的江南运河。由于战争的破坏和年久失修等原因，这些水道普遍淤塞破损严重，经过全面治理，得以重新畅通。另一方面，开凿了新的运河。鉴于元朝统治中心北移，中原地区已丧失隋唐时的重要地位，新的运河已无需再远道绕经河南等地。因而开凿大都至通州、临清至济州之间的运河，成为南北水道贯通的关键工程。首先，开济州河以通泗、济。经过充分的勘查准备，工程于至元十九年（公元1282年）十二月初开工，第二年八月“济州新河成”（《元史世祖纪》）。济州河起自济州（今济宁市）南面，北到须城（治所在今东平县）安山，长75公里，以汶水和泗水为水源。济州河凿成后，南方的粮船可沿淮扬运河北上，由济州河循大清河（古济水）到渤海，再由界河（海河）口上溯白河抵通州。但是，由于大清河的水量偏少，落差又小，还有潮汐顶托，泥沙容易淤积，导致粮船经常搁浅，从而不得不“舍舟而陆”，改从“东阿旱站运至临清，入御河”（《元史食货志》）。为了解决这段陆运艰难的问题，开凿东平至临清的运河会通河被提到了议事日程。
至元二十六年（公元1289年），开凿会通河的工程正式动工，是年六月便告竣工通航。这条新河南起须城安山，接济州河向北，经聊城，到临清接卫河，全长125多公里。济州河、会通河的建成，打通了一条捷径，使运粮的漕船可以从徐州直接北上直达通州，不必再绕道河南，省去了300多公里的路程。然而，从通州到北京的这段路程却阻碍重重。若走水路，惟有坝河水道可以通漕，但坝河运输能力有限，且常常水浅难行；若走陆路，不但费用很高，而且十分艰难。因此，凿通通州至大都的水路，又成当务之急。
在著名水利专家郭守敬的主持下，元朝在大都和通州之间开挖了一条长82公里的运河通惠河。通惠河分为两段，一为引水河道，起自昌平白浮村，终至瓮山泊（今北京昆明湖）；二为通航段，自瓮山泊以下穿大都城至通州高丽庄入白河。这条运河的凿成，对建都于今北京的元朝来说，具有特殊重要意义。至此，北起大都（今北京）、南至杭州，由通惠河及白河、御河（隋代的永济渠北段）、会通河、济州河、里运河（即以前的邗沟）、江南运河等水道组成的全长1700多公里的京杭大运河（元代称重新开通的大运河为京杭大运河，以别于隋朝开凿的南北大运河）全线贯通。
京杭大运河的开通，具有划时代的历史意义。它把原来张开如折扇状的南北大运河，改造成为直线型的京杭大运河，大大方便了南北之间的交通运输，开创了南北经济、文化交流的新时代。
明（自成祖朱棣以后）、清两代，继续以北京为都城，经济上依然仰赖于江南的粮食和财赋，因而对京杭大运河十分倚重。为了保证航道的畅通，两朝均投入了很大的力量对大运河进行了治理和改造。正因为此，京杭大运河在元、明、清三代历时500多年的时间里，成为“丰天下之财赋，悉由此路而进”（《通州志》）的南北交通大动脉。
明代针对大运河所通过的黄淮之间存在的水量不足、多有险滩等问题，主要建设了五大运河工程：第一，修建南旺分水工程。在济州河（时称会通河）任城（今济宁）至安山间，修建了东平戴村坝即南旺分水工程，遏汶水出南旺，分流南北，使会通河得到充足的水源补给。第二，开凿清江浦河道，即从淮安城西管家湖开渠10公里，引湖水入淮河，并建了四个闸门以控制水流。往来船只可以从此运道直接进入淮河，从而避免了江南漕船到达淮安后要转运淮河的盘坝陆运之苦。第三，开挖南阳新河。因会通河不断受到黄河决口的冲击，影响漕运安全，遂在山东鱼台县南阳镇至沛县留城之间，修建了一条长70多公里的南阳新河。南阳新河以东，地势较高，不会受到黄河决堤的影响。第四，开挖河。河从沛县夏镇（今属微山县）李家口引水，汇合彭河、丞水、沂河，到邳州（今江苏邳县）直河口（今宿迁皂河镇）进入运河，从而避开了黄河180公里险滩，既大大缩短了航程，又保证了漕运安全。第五，开挖通济新河。河开通以后，从邳州直河口至淮阴清河县之间仍走的是黄河河道，其中有“十三大溜”的险段。全长28.5公里的通济新河，从直河口通过骆马湖，由陈沟口、董沟口入黄河，避开了邳州至宿迁之间的35公里险段。上述五项工程的建设，有力地保证了京杭运河的畅通。
清代亦不遗余力地对京杭大运河进行了维护和整治，其中比较重要的有中运河和清江浦至海口入海通道的开掘以及淮、黄、运交汇的清口治理等。清初借用黄河作为航道的还有骆马湖口至淮阴间的120公里河段，这段运道艰险难行。为此，清代康熙年间在黄河以北遥堤、缕堤之间开了一条中运河，避开了黄河险段，并最终使黄河、运河分家。经过明、清两代前后120多年的苦心经营，开掘了300多公里的人工运河，终于完成了运黄分流工程，这是运河发展史上的重要里程碑。康熙年间还开挖了清江浦至海口150公里的入海通道，缓解了黄、淮、运出水口淤塞和排水不畅的状况。对清口的治理，清王朝更是耗费了大量的人力、物力和财力资源，开挖了一系列挡水、束水、引水闸坝工程，力图保持漕运畅通。
自清咸丰五年（公元1855年）黄河在河南铜瓦厢决口北徙夺大清河入海后，京杭运河受其严重干扰，南北航运随之中断，加上国力衰竭，无力整治，运河日趋衰败。到19世纪末叶，由于铁路、海运兴起等原因，这条久负盛名的大运河始终未能复兴。尽管如此，大运河为中华民族做出的巨大历史贡献和留下的宝贵文化遗产却是不可磨灭的。
新中国成立后，党和政府对大运河的恢复十分关心，并组织力量有计划地对一些河段进行了大规模的疏浚和改、扩建，使不少河段不但保持着通航（如山东济宁至浙江杭州，目前在华东地区的交通网中还发挥着积极的作用，特别是在北煤南运中大大缓解了铁路的运输压力，从而促进了江淮地区的经济发展），而且增加了防洪、排涝、灌溉等功能。与此同时，许多专家学者以极大的热情对大运河的治理与开发，诸如调水、航道治理、黄（河）运（河）关系、沿运工农业与交通布局、水源与环境保护、运河文化与旅游资源开发等方面，进行了深入的研究和充分的论证，并提出了许多建设性的意见。值得指出的是，即将开工建设的南水北调东线工程，主要借助于大运河故道作为输水线。随着源源不断的长江水滚滚北流，古老的大运河将重新焕发出青春和活力。我们期盼这一天早日到来！二运河的开凿，是人类的奇迹，是中华民族文明发达的体现，更是中国古代水利科技史上的奇葩。从春秋末期吴国在公元前486年开凿的邗沟算起，我国的运河至今已有2400多年的历史了。即使从公元7世纪初隋代开通的南北大运河算起，至今已有近1400年的历史。纵观世界上其他地方开凿的运河，没有一条能与我国的大运河相媲美。位于埃及境内、沟通地中海与红海的苏伊士运河，全长127.5公里，开成于1869年；位于中美洲巴拿马共和国境内、沟通大西洋与太平洋的巴拿马运河，全长81.3公里，开成于1914年。这些世界著名的运河，无论是开凿的历史，还是规模和长度，都远远不能与中国的大运河相提并论。在大运河的开凿和修浚史上，我国古代劳动人民以卓越的聪明才智和巨大创造力，攻克了一道又一道技术难关，创造了一个又一个改造自然、发展水利的奇迹。
航道运行需要有足够的水源和稳定的水流。历史时期，我国古代劳动人民为克服地形差异对大运河的影响进行过多方探索和尝试，其中最有效的措施是增大运河弯曲半径、修闸筑坝和设置水柜。
由于复杂的地势而产生的水位差，是制约大运河修建和发挥作用的一大难题。大运河的建设者们设计出了一个又一个卓越可行的方案。如“三湾顶一闸”，便是杰作之一。大运河的不少河段都是七拐八折、弯弯曲曲的。许多人也许颇为不解地提出这样的问题：古人开挖大运河为什么舍近求远，不走直线呢？其实，这非但不是令人遗憾的败笔，而恰恰是独具匠心的绝妙之作。著名的“人工河曲”扬州三湾以及德州至临清的一段弯曲运道就是为了消除地面高差、降低运道坡度、滞缓水流面而采取的工程措施。扬州三湾是古运河流经扬州附近的一段航道，起自扬州市东北郊湾头镇，蜿蜒西南流到长江的瓜洲渡而止。尽管直线距离不足23公里，可这段河道却拐成个“S”形的大弯，把河道延长到30公里。这种弯曲的水道不但增加了航行的难度，而且延长了航行的时间。那么，古人为什么干这种“费力不讨好”的事呢？原来，古运河流经的扬州三湾地区，自从金正隆末年（公元1160年左右）黄河改道南侵泗、淮、涡、颍，夺淮河下游入海后，黄河的多次溃决泛滥造成泥沙淤积，改变了这一带原来南高北低的地势，构成了北高南低的三级阶梯，致使短短10公里的河段，高低落差竟达l5米。在如此落差悬殊的河段，如果开成直道，很难保证运河水面的平缓。我国古代运河的建设者们为了解决这一难题，经过不懈的探索和努力，终于找到了“截直道使曲”的办法，即顺应地形地势故意开出一条弯曲的河道，通过增加河道的长度，从而达到降低河床坡度以调整水位落差的目的。这同在高山上修筑盘山公路以降低山势坡度是同样的道理。看似十分简单的举措，却解决了调整水位落差的一大难题，堪称是运河水利史上的一大创举。这一办法，后来在开凿德州到临清一段运河时也被采用。即使当今正在实施的南水北调东线工程，也要采取修闸筑坝、分级送水的工程措施，借以解决地形差异的影响。
筑堰挡水，是运河建设者们为保证运河航行充足的水量和稳定的水流而精心构思的另一杰作。邗沟是沟通江、淮的重要河段。如何解决淮河水位低、邗沟水位高的水位差问题，是影响这一段运河通航的关键所在。聪明的古人采取了在邗沟入淮的交汇处筑堰的办法，终于使这一难题得到了圆满解决。这道名之为北神堰的大堰，位于楚州（今江苏淮安）城北五里的邗沟入淮口处，它的功能，就在于拦蓄邗沟之水以防止其过多地泄入淮河。这样，就解决了淮河与邗沟的水位差问题，保证了航道的畅通。除了北神堰以外，较著名的还有位于扬州市北的蜀冈的平津堰。由于蜀冈一带地势较高，为了保证大船的通行，唐元和五年（公元810年）采取了凿深蜀冈附近运河的办法，结果造成了“河益庳，水下走淮”的不良局面。为了防止河水下泄，当时的水利专家李吉甫率民夫拦河筑堰（称为平津堰），堰成以后，实现了“以泄有余，防不足，漕流遂通”（《新唐书》卷五三）的目的。此外，在浙东运河上，也设有数道堰埭，解决了浙东运河沿途地势高低不平而在不同河段间存在的水位差问题。
鉴于堰埭过多，常常给航运造成不少困难（堰埭的高度一般仅稍高于水面，且呈人字坡面，小船过堰，须用人力牵挽；而大船过堰，则需用牛马来牵引）的情况，先人在实践中又创造了一种比堰埭更先进、更有效地解决河道水位差的办法“复闸”，即今天广泛采用的“双船闸”过船方式。也就是说，在需要建闸的地段，修筑前后两闸，船行至时，闭后闸，开前闸，在两闸间或放水，或充水，以降低或提高水位，使闸中水位与前方河段趋于一致，然后打开前闸，让船只顺利通过。对于这种“复闸”，北宋著名科学家沈括曾记述道：“天圣中，监真州排岸司右侍禁陶鉴始议为复闸节水，以省舟船过埭之劳……自后，北神、召伯、龙舟、茱萸诸埭，相次废革，至今为利。”（《梦溪笔谈》卷一二《官政》）由此可见，最迟在北宋天圣（公元10231032年）年间，大运河上已出现复闸，从而扭转了船只过堰时“粮载烦于剥卸，民力罢（疲）于牵挽”（《宋史河渠志》）的不利状况，大大提高了运河的航运效率。设置堰埭以调节水量、控制水位差，是中国水利史上的一项重大创造；而用复闸代替堰块，则是水利史中一项具有划时代意义的伟大进步，标志着我国水利工程技术已达到了一个相当高的水平。西方直到13世纪，才在荷兰出现了简单的船闸。
在大运河的开凿过程中，还有一个极大的“拦路虎”水源不足问题。为了解决这一难题，中国古代水利科学家又一次地显示出非凡的才智和创造力。通惠河是元代大都（北京）至通州间开挖的一条重要运河，是南粮北运抵达大都的关键河段。应该说，以当时的生产力水平开凿这样一条不太长的运河是比较容易的，但如何解决通惠河的水源，并选择一条可以克服自然条件限制而取得丰富水源的路线，从而确保通惠河充分发挥其航运效益，则是一个天大的难题。由于地理和气候的原因，坐落于华北平原北端的北京，地表水一直比较缺乏。本来，从北京城西奔流而下的永定河应该是理想的水源地，但是由于永定河泥沙含量大，水质浑浊（历史上曾称浑河），大量的泥沙淤积极易引起河道淤塞。同时，桀骜不驯的永定河还时常洪水泛滥，是一条殊难控制的河道。因此，必须另觅新的水源。
元朝杰出的水利工程专家郭守敬，经过查勘调研，终于在北京西北山麓的昌平一带发现有许多泉水可资利用。但是，在大都和昌平之间有沙河和清河两条河谷低地，对于引水到大都形成了两道难以逾越的障碍。郭守敬经过实地考察和精心勘测设计，终于选定了一条避开障碍的理想路线从昌平东南白浮村的神山泉（海拔55米）起，开渠引水西行，然后大体沿50米的等高线转西南而下，避开了沙河、清河的河谷低地，并在沿途拦截沙河、清河上源及西山山麓诸泉之水南行，再向东南注入瓮山泊（今昆明湖）。为了保持充沛的水量，沿渠又修筑了著名的白浮堰。水源问题的解决，为通惠河的航运畅通发挥了关键作用。这一引水工程的建设，充分显示了当时高超精密的科学技术水平，直到今天仍令人叹服。
再如明洪武二十四年（公元1379年），黄河在原武（今河南原阳境内）决口，夹带大量泥沙而下的洪水将大运河的重要河段会通河淤塞。为了打通淤塞的河道，明朝廷于永乐九年（公元1411年）下令疏浚会通河。但在疏浚中遇到了水源不足这个极大的难题。正当疏浚工程的官员苦无良策的时候，山东汶上老人白英（当时著名的农民水利专家）雪中送炭，献上了一个“借水行舟”的计策，即在大汶河上建一大坝（戴村坝），迫使汶水流向西南，注入地势最高的南旺湖，作为济运的主要水源，并在分水口南北建闸控制，使其四分南流，经由济宁注入徐州一带的运河；六分北流，注入会通河和御河。同时，在相应的河段修闸以调节水位；在南旺分水口周围的湖泊洼地设置水柜，以蓄潴来水作为调节水源。工程实施后，顺利地解决了会通河的水源不足和穿越黄河的水位差问题，使会通河500多年来一直畅通无阻。这一绝妙的设计，堪称大运河建设史上的又一经典杰作。
“闸化运道”，是解决地势起伏坡度较大地段运河通航的又一创举。京杭运河素有“闸漕”之称。自唐代在运河过江河处设斗门以节宣泄始，至元、明两代在京杭运河上修建了许多闸坝以供调节水量，形成了一套完整的系统。在会通河的设计、施工中，为了使运河顺利地通过横亘在航道上的大清河（为黄河故道，是一条远远高于地平面的悬河），著名水利专家韩仲晖等人经过反复查勘分析，提出了开建新渠、引汶（水）绝清（河）的方案。即在冈城以下，充分利用泰山西麓地势较高的条件，使汶水保持稍高于大清河的水位，绕道北行，积潴于安山，从安山山脚筑闸开沟引入寿张县境内的大清河，再堵绝大清河，迫使河水向北注入通往临清的新沟。鉴于这一带坡降较大的地形特征，为防止泄水过快致使运道浅涩，采用了建造节水船闸的办法，使南来北往的船只逐闸浮升，顺利“爬”过大清河。在地形变化较大的地方和重要码头，则用两闸或三闸串联，组合成一个有机的通道。这就把两闸之间的河道变成了大闸厢，利用两端闸门的启闭控制，保持了运河水位的平衡，实现了梯级通航。据记载，元代从济宁到临清100公里的航道上，共设置船闸30余座，起到了与现代船闸大体相同的通航作用。
在大运河与黄河的关系上，大运河的建设者们也进行了艰难的探索。为了克服黄河河道的变迁和冲决泛滥对运河的影响，明清两代的水利专家先后采取了引黄济运、遏黄保运、避黄保运等措施协调黄运关系，其中遏黄保运的措施取得了较好的效果。此外，在黄运交汇处的治理措施上，提出的蓄清刷黄，以使黄、淮、运三者之间暂时平衡的经验，对我们今天治理开发黄河和京杭大运河仍具有重要的启迪作用。
大运河开凿史上的水利杰作比比皆是，除了以上所列之外，还有如利用天然河道作为大运河有机的组成部分，既大大减省了开凿新河的巨大投入，减轻了人民的劳役赋税之苦。再如利用散布在大运河两岸的湖泊作为“水柜”（如明清时代在山东鲁运河和江南运河设置的安山湖、南旺湖、微山湖、练湖等水柜等，为京杭运河的水源调节起到过重大作用），巧妙地解决了一些河段的水源问题，等等，无不显示出运河建设者们的非凡智慧和创造力。
总之，就大运河工程本身而言，即使用现代科学技术来衡量，亦非轻而易举，其线路设计、处理黄运关系、调集水源、天然河湖的利用与改造等方面，至今仍有重要的借鉴意义。
