大正九年(1920年)9月兴工，至昭和五年(1930年)4月完工，花费5.414万日圆。灌溉区域涵盖云林、嘉义、台南三县，是当时东南亚最大的水利系统。完工后，嘉南平原由原本的5000公顷水田，增加为15万公顷。

乌山头水库位于曾文溪支流官田溪上游，集水区有58平方公里，水库容积约1.5亿立方米，水深可达32米。坝体最大高度为56米，坝顶标高为66.66米，满水位标高58.18米，坝顶长1,273米，坝顶宽9米，坝底宽约303米。此水库利用利用台南县官田乡、六甲乡、大内乡、东山乡间的低洼谷地为集水区，水源取自曾文溪上游大埔溪，为一个离槽水库，进水隧道穿越乌山岭至官田溪上游，长三千多米。

除了乌山头水库，嘉南大圳也于浊水溪设立三处进水口，分别为林内第一进水口、林内第二进水口与中围子第三进水口。

水源自乌山头水库流出后，分为北干线与南干线。北干线自乌山头北行，跨急水溪、八掌溪、朴子溪到北港溪南岸，南干线向南跨越官田溪、曾文溪至善化镇连线南乾支线。

来自浊水溪水的灌溉线路为浊干线，自林内第一进水口沿旧虎尾溪左岸南行至北港溪与北干线相连。

排水路46条，防水堤防228公里，防潮堤104公里。