水庫工程的建設是由惠安縣人民政府組織實施，政府向惠安的紅旗、東紅、飛躍、上遊4個公社提出。群眾對水庫建設非常支持，歡欣鼓舞，踴躍報名參加。各自然村每戶至少1人，***41000多人，其中女性35000多人，達85%以上。最高年齡70多歲，母女、婆媳、姐妹爭先報名的，比比皆是，如當中52歲的葉荀和女兒爭著去，終於拗不過女兒，只得讓她先走；待到第二批，她把最小的孩子交給幼兒園，也跟著隊伍出發了。按地域編成八個大隊，上遊公社為第壹、第八大隊，紅旗公社為第三大隊，東紅公社為第二大隊，飛躍公社為第四、第五、第六、第七四個大隊。第五大隊立即全力以赴，堅決在三天內把河市通往壩區的道路修通。第二、第六兩個大隊負責官坪石頭的搬運。第三大隊必須在最短時間內把各個取土坑的交通道路修好。還有從水路搬運石料，還有分填圍水壩，還有開挖引水渠，無不要求限時完成。參加興建的民工披星戴月，扛著鋤頭，挑著畚箕，帶著薯幹、草席上工地，群眾贊譽說：“烏潭水庫是鋤頭、畚箕加薯幹建起來的”。參建大壩建設的民工有大約1.5萬人，其中婦女群眾約1.3萬人，超過86%，無論是挖土、挑土、打夯、推車、鋸木、打石、駕船，還是緊張的搶險，她們都挺身而出，勞動強度不亞於男同誌。
水庫建設是邊勘測、邊設計、邊施工，三者同時進行。1958年7月開始大壩清基，1960年2月大壩建成，駐當地的人民解放軍也派出數千名官兵和1個汽車隊，支援水庫建設。渠道工程在1959年11月開工，1960年6月建成。幹渠長59.5公裏，有洛陽、上田、菱女、美峰、塗崇5條支渠及6條灌溉千畝以上鬥渠，並與菱溪水庫相通。灌區1962年部分受益，1963年全面受益。設計灌溉面積24萬畝，包括惠安、南安和泉州鯉城區。由於水庫集雨面積小，來水不足，1970年山美水庫建成後，對灌區作了調整，1980年核定灌溉面積為8.41萬畝。樞紐工程由國家投資1815萬元。大壩為粘土心墻壩，最大壩高52.5米，壩長350米，頂寬9米，防浪墻高1米，土石方94萬立方米。附壩位於上遊左側郭坑村，為勻質土壩，壩高10.8米，壩長192米，頂寬5米。溢洪道為開敞式寬頂堰，平頂段寬50米，陡坡段寬30米，最大泄洪量1150秒立方米，挑流消能。輸水道兩條，壹為無壓砌石拱涵，斷面為1.6×1.9米，另壹為有壓混凝土管內套鋼管，每條長145.6米，最大放水流量均為10秒立方米，各設5噸手搖絞車啟閉轉動門蓋。壩後電站裝機容量3×400千瓦。灌區工程有總幹渠及惠東、惠南幹渠，長82.83公裏，支渠11條長91.36公裏。渠道繞山環行，穿山越壑，工程艱巨。主要建築有南塘渡槽，長180米，5跨石砌拱形架空渡槽，每跨20米，墩高35米，其余為高填方石砌渡槽，設計進水量16秒立方米，計漿砌條石4800立方米，填土3.9萬立方米，當時是全省最大的砌石渡槽，高填方坡面上砌有“紅千女鬧天橋”6個大字。埔兜倒虹吸管，跨河段168米，內徑1.8米，最大水頭的32.5米為鋼管，岸坡段為鋼筋混凝土管，長579.25米，設計進水量14秒立方米。嶺頭隧洞，全長1032米，為聯接烏潭和菱溪灌區銜接工程，其中土質隧洞450米，采用條石拱形襯砌，斷面為240×240厘米，是全省開挖、處理土質淤泥型洞較長、較早的壹個。