十三陵地区是一个盆地，周围群山环抱，整个流域面积为223平方千米，每遇夏季暴雨，山洪暴发，直泄东山口，从东沙河一直泄入温榆河。两岸村舍、农田经常被毁，人身财产，蒙受严重的灾害，洪水过后，又变成一望无际的卵石沙滩，无水缺水，一片干枯。
据《昌平文史资料》载，在1954年4月，周恩来到十三陵地区视察时就指示说：“北京名胜古迹甚多，风景优美，但有山无水是美中不足，尤其是十三陵这个名胜古迹，是外宾必游之处，有山无水是一大遗憾。若能修个水库，有个大的水面，那就更美了。”同年夏天，水利部副部长李葆华向北京市有关领导传达了总理的指示，从此就开始了十三陵水库的设想和修建规划。[15] 当时这项工程原定在第三个五年计划期间由国家投资一千九百万元建设。[23]
1957年农村社会主义改造任务基本完成，广大农民建设社会主义的积极性普遍高涨。9月25日，《人民日报》公布的中共中央、国务院《关于今冬明春大规模地开展兴修水利积肥运动的决定》激励民众开展农田水利建设。据时任昌平区委副书记郭汉文回忆：当时昌平区委认真讨论了中央决定，并根据群众呼声，提出了修建十三陵水库的计划。[15]
1957年12月26日，北京市设计院提出十三陵水库的设计方案。[15] 水库设计工作以北京市市政工程设计院为主体，邀请水电部北京勘探设计院、水利水电科学研究院水文所、水工所及清华大学水利系、北京地质学院地质系、北京市地质地形勘测处和北京地质水文大队等单位参加，实行边勘测、边设计，边施工。[18] 规划图
1958年1月4日，北京市委批准了方案，并决定成立了以市委农村工作部部长为主要领导职务的十三陵水库修建总指挥部。[15] 由赵凡任总指挥，张俊士、贺翼张担任副总指挥。[18]
1958年1月15日，初步完成了工地上的用电任务，连通了工地指挥部与六、七里外的电源。[27]
1958年1月21日，十三陵水库修建工程破土动工；上午10时，在昌平区蟒山与汉包山之间的天地山脚下召开了修建十三陵水库开工典礼。[29] 最初，参加建设的人员有昌平民工8000余人和义务劳动大军约2000人，他们自带行李、粮食和炊具，从四面八方来到工地。当时正逢天寒地冻，又缺乏施工经验，加之施工机械少，虽然人们劳动热情高涨，但施工进度缓慢。[9] 共30张 修建十三陵水库场景
1958年2月16日，清理坝基工作基本结束，已经开始筑填坝身。[24]
1958年3月29日下午，周恩来到十三陵水库工地视察，听取关于工程进展情况的汇报，并向指挥部负责同志转告毛泽东的话：“改良工具是技术革命的萌芽，推荐用安徽车子推土的办法，比肩挑好。”
为赶在汛期到来之前完成筑坝任务，[9] 1958年4月，水利电力部和北京市委决定再次增加施工力量，动员全市工、农、商、学、兵各行各业参加义务劳动，施工劳动力增至5万人。4月28日国务院副总理贺龙、聂荣臻和北京军区司令员杨成武亲自到工地视察后提出，动员驻京部队和院校力量支持水库建设。[36]