1958年4月，“双牌水库枢纽工程计划任务书”上报国家计委、经委、水电部。同年7月，在中共湖南省委召开的全省大、中型水电工程施工准备会议上，双牌水库被列为全省重点建设工程之一。是年8月，成立双牌水库工程指挥部，由零陵县县长蒋德玟任指挥长，省水电厅副厅长史杰坐镇指挥。1958年11月5日破土动工，调集零陵、东安、祁阳等县11000劳力上马修建。其大坝枢纽施工采用从左岸到右岸，底孔导流的三期围水方案；一期围堰于1958年11月开始，在左边河床施工，建筑左岸挡水坝与电站厂房基础开挖和浇筑挡水混凝土工程；二期围堰于1959年8月开始，采用右岸混凝土围堰，河床中间导流；三期围堰于1960年8月开始，9月5日正式截流，采用河心三个预留底孔泄流。1962年，该工程陆续封闭导流底孔，围水导流清基阶段结束，土建任务基本完成，1962年8月船闸通航，到1963年枢纽工程全部完成。1963年11月，时任中共中央中南局第一书记陶铸视察双牌水库，并亲笔题写“双牌水库”库名。双牌水库枢纽工程共耗资9620万元，全部由国家投资