烏山頭水庫主壩堰堤最大高度56公尺、頂寬9公尺、底寬303公尺，長度1,273公尺，係於除去原址第三紀、第四紀沖積層土壤及爛泥約17萬立方公尺後，利用火車自距當地約20公里之大內庄石仔瀨曾文溪底搬運石礫、土砂、黏土等土壤，堆置於堰堤中心兩側。

當時八田與一（1886-1942）認為工程輸運量體龐大，必須引進重型工程機械設備以取代人力及獸力，雖然昂貴，但可以大幅提昇效能、縮短工期，早日投入生產獲益反而划算，同時工程人員技術也可藉以提升。排除眾議後，便以約烏山嶺隧道（又稱烏山嶺引水道）和堰堤總工程費四分之一經費採購各式工程機械，包括大型蒸氣挖土機、開山機、氣壓傾倒車、巨型幫浦車、大型混凝土攪拌機等。其中，12輛德製火車頭搬運建造堰堤的土石，並連結上百部氣壓傾倒車，利用蒸氣傾倒土石，大大提昇工程效能與進度，也降低了人員及牲畜的損傷。同時培養一批可嫻熟操作機械的技術員，為臺灣土木營造產業增添了大型機械與人才，在後續開闢基隆港與其他公共建設扮演了重要角色。

當時德國馬克（DM）因德國第一次世界大戰敗戰受制裁而大幅貶值，八田經評估後向以打造虎型坦克聞名的德國Henschel公司訂購12輛火車頭，並將該公司產量最多的1,435mm軌距車型修改為適合臺灣1,067mm軌距，成為當時臺灣最有力的四動輪蒸氣火車頭。
 

八田與一於烏山頭整體工程規劃設計階段，發現鄰近的大內庄（今台南大內區）富含質地細密之黏土，兼以考量嘉南平原大小地震頻繁，構建大型混凝土壩安全性堪憂，故決定採亞洲首例「半水力沖淤式」工法(Semi‐Hydraulic Fill Method)建造以土砂與黏土為主，混凝土僅佔0.5%的主壩堰堤。

此工法先於堰堤中心設置鋼筋混凝土牆形成為截水心壁，然後在其兩側堰堤範圍不斷堆積砂石，利用好幾部450馬力巨型唧筒抽水機壓送射出強力水柱沖洗，經水力分選使大石留在外層。其他較輕之中石、砂礫、小砂、黏土等則依序流向中心，最微細之黏土即於截水心壁周邊沉澱凝結，形成嚴密厚實之優質不透水黏土層，使之足以確實遮斷水的滲漏，避免堰堤被淘刷潰決。

當年日本無此工法經驗，多數官員對時年32歲的八田技師發出質疑，1922年日本指派水庫權威佐野藤次郎博士（1869－1929）抵臺調查後給予肯定，才消弭質疑聲浪，該年八田與一趁赴美國購買重型機械時順便到「半水力沖淤式」水庫考察，經仔細觀察發現大內庄之黏土質地比其更為細密，讓八田對採用此工法更具信心。

1924年美國此工法權威J. D. Justin（生卒年不詳）曾抵烏山頭考察並與八田討論辨證，經數次討論仍決定依照八田設計施工，興建過程中每年向美國土木學會（ASCE, The American Society of Civil Engineers)報告滲漏水量，結果均遠不及Justin原先擔心之預估量，漸漸獲得該學會的肯定。
 

嘉南大圳水利系統共有南幹線、北幹線、濁幹線三條幹線，自分岐點以南為南幹線，至善化區善化酒廠附近分出南幹支線為止，分歧點以北為北幹線，跨越八掌溪進入嘉義縣境，至北港溪為止，濁幹線則自北港溪以北至濁水溪。

南、北幹線水源為烏山頭水庫，濁幹線水源則引自濁水溪，當時因為日月潭發電工程完工，濁水溪可供利用的水量增加了，所以把嘉南平原北端濁水溪與北港溪間52,000甲土地也納入整個工程計畫，濁水溪水源並被賦予支援夏季稻作灌溉之任務。

因為濁水溪水含沙量高，為避免引入後圳渠遭到嚴重淤積，八田與一遂決定在現今雲林縣林內鄉設立三個進水口來取水，分別是第一進水口、第二進水口和中國仔第三水口，皆藉由水門制水閘控制引入濁幹線水量。途中經過匯流沉沙，降低水中含沙量，之後合流為濁幹線。

濁幹線第一制水門及附屬放水門為濁幹線水量的第一個分流點，其位置為原鹿場課圳之新虎尾溪取水口。第一制水門規模較大，用以調節流入濁幹線下游之水量，佔70.2%，附屬放水門規模較小，其下游為鹿場課圳幹線之源頭，分水量19.8%。當第一制水門上游濁幹線本流因大雨造成來水量太大有溢堤風險時，除了關閉制水門避免造成下游水量壓力，並打開附屬放水門，讓來水放流入新虎尾溪。

南大圳整體工程完成，從烏水山水庫送水至南北幹線，再輸配到各支線、分線、小給水路進入農田，之後再放流到小排水路、大排水路流入大海，建構了綿密輸配水網，而與之搭配讓水資源有效應用的則是「輪作制度」。

依照嘉南平原自然水文條件，雖新建了烏山頭水庫並結合濁水溪水源，仍無法滿足所有田地用水需求，經過水量計算並考量地力維持，因此發展出三年輪作配水與農作生產機制。

八田與一參考殖產局（臺灣總督府民政部殖產局）技師所提甘蔗三年輪種一次之建議，認為供應冬季甘蔗用水後之水量，仍足夠供應夏季水稻用水一次，於是規劃出幾個輪作方案。在面對日本稻米不足問題下，最終決定以15 萬甲農田，採水稻、甘蔗、雜作(綠肥)各佔三分之一的方案，以150 甲劃為一給水區，每一給水區再劃分三小區，三年內循環供應每一小區一年夏季水稻、一年蔗作用水，各區分別以「大輪灌」和「小輪灌」方式調配。

夏季稻作水量需求大，北港溪以北區域由濁水溪水源供應，以南區域才由烏山頭水庫供應，冬季蔗作用水則視各年度氣候狀況管理調度之，此即為三年輪作計畫。除了有利於水源調度外，也具有維持地力、降低病蟲害、充分利用勞動力等優點，然而也大幅改變整個嘉南平原土地管理使用及耕作習慣，面對了不少質疑與挑戰。
 

嘉南平原沿海地勢低窪，為防止海水倒灌，便設置防潮堤和防潮排水門，防潮排水門設在大排水路出海口略為上游之位置。其水門為朝海面單向開啟之型式，當漲潮時，排水門受海水推擠，便與土木結構物密合，攔住潮水不再繼續往上游溯升；退潮時，當海水面低於其上游排水路水面，上游水體就會往海那一面推開而排放入海。

嘉南大圳除了幹、支、分線、小給水路等輸配水路讓農田作物得到適當灌溉生長外，給水路隔著農田的另一側對應著有條排水路，毗鄰的田埂會留條土溝或埋管路，一旦放進田裡的水不用了、太多或下太多雨，就可藉此流出到排水路，避免作物泡爛了。這類小排水路總長約6,000公里，匯流後之大排水路總長約960公里，防潮堤則有104公里。

流入排水路的餘水會流到沿海的鹽分地浸泡一段時間，讓鹽分溶出再排放掉，這些原先含鹽過高而無法種植作物土地，因防潮堤和防潮排水門，免除了海水溯升淹沒浸泡。再加上灌溉餘水的沖洗，土壤含鹽量就可以逐漸減少並得以進行改良，慢慢的可以種植秈稻或其他作物了。鹽分地帶原本貧瘠無法務農的土地得以改良為可種植作物的良田，農民的工作機會和收入也就因此增加了，甚至因種植稻米的收入較養殖虱目魚增加兩倍左右，有不少魚塭也就轉變成為水稻田。