在元明清时期，社会相对安定，较少发生长期的战乱，为水利的稳定发展创造了有利的条件。这一时期的水利工程，有黄河防洪工程建设、向边疆和山区继续发展的灌溉与排水工程、沟通南北的京杭大运河、滨海沿岸地区防御潮灾的海塘。其中最为著名的是京杭大运河和浙东钱塘江的重力结构的鱼鳞大石塘。
但是，在封建社会后期，由于政治腐败，管理混乱，严重地阻碍了水利的进步。
这一时期，总结性的水利科学著作相当丰富。明清之际和清朝末年曾一度引进西方水利技术，但并未得到普遍的应用。
（一）防洪与治河
这一时期，黄河含沙量过高，致使下游河床淤积抬高，给防洪带来了许多困难。
自汉朝起，就有人提出利用黄河自身的水流冲刷下游河床淤积的泥沙，但未能就此探讨出可以实行的工程技术方案。
明朝万历年间，主管防洪的总理河道潘季训总结前人的认识，系统提出“束水攻沙”的理论以及实现这一理论的实施方案。
这个系统堤防工程由缕堤、遥堤和格堤、月堤几部分组成。
缕堤在主流约束水流，提高流速，便于冲刷河床中积淤的泥沙。
遥堤在缕堤之外，距缕堤二三里，为的是洪水涨过缕堤时，防止洪水四处泛滥。为了防止特大洪水冲坏遥堤，还在某些地段的遥堤上建有溢洪坝段。
“束水攻沙”在理论上的贡献是杰出的，潘季训所设计的一系列工程措施发挥了有益的作用，但并未达到刷深河床、解决防洪的目的。
当年，黄河在淮阴一带夺淮入海，黄河河床和水位的抬高形成对淮河的压抑，不仅使淮河洪水排泄困难，并逐渐在淮阴以西造成了一个洪泽湖。
最后，黄河还将淮河入海的河道淤塞，而压迫淮河由三河闸改道入江，简直使淮河快成为长江的一个支流了。
向东入海的黄河与南北方向的运河交叉，运河一度依靠黄河之水，但黄河泛滥或淤积过多的泥沙时，运河便要中断。
康熙十六年（1677年），虽然“三藩之乱”尚未平定，清政府还是任命靳辅为治河总督，负责治理黄河和运河。
靳辅的幕僚陈潢重视调查研究，知识渊博。在治河方面，他虽强调筑堤的作用，但又力主治河方法多样化，认为必须因地制宜，或疏、或蓄、或束、或泄、或分、或合。后来，他甚至提出阻止黄河上中游泥沙下行是治河之本，这是后代水土保持的先声。这一思想虽然当时未被人们所重视，但他的其他治河主张，却被靳辅在治河实践中采用了。
靳辅、陈潢治河的主要措施与潘季训基本相同，即筑堤束水，以水攻沙。但筑堤范围要比潘氏广泛，除修复潘氏旧堤外，又在潘氏不曾修建的河段加以修建。如河南境内，他们认为“河南在上游，河南有失，则江南（原文为南字，当为北字之误）河道淤淀不旋踵”。因此，在河南中部和东部的荥阳、仪封、考城（仪封和考城现已并入兰考）等地，都修建了缕、遥二堤。又如在苏北云梯关（今滨海县）以东，潘氏认为这里地近黄海，不屑于修建河堤。而靳、陈认为“治河者必先从下流治起，下流疏通，则上流自不饱涨”，因此修建了18000 丈束水攻沙的河堤。
靳、陈治河除上面所说的与潘氏有异同外，还在许多方面超过了潘氏。潘氏只强调筑堤束水、以水攻沙，而靳、陈除了强调束水攻沙外，又十分重视人力的疏导作用。他认为三年以内的新淤，比较疏松，河水容易冲刷，而五年以上的旧淤，已经板结，非靠人力浚挖不可。
他们不仅注意人力浚挖，还总结出一套“川”字形的挖土法。在堵塞决口以前，在旧河床上的水道两侧三丈处，各开一条宽八丈的深沟，加上水道，成为“川”字形。堵决口、挽正流后，三条水道很快便可将中间未挖的泥沙冲掉。“川”字形挖土法，可减轻挖土的工作量，挖出来的泥沙，又可用来加固堤防。
在疏浚河口时，他们还创造了带水作业的刷沙机械，系铁扫帚于船尾，当船来回行驶时，可以翻起河底的泥沙，再利用流水的冲力，将泥沙送入深海中。这是我国利用机械治河的滥觞。
靳、陈等人经过10 年的努力，堵决口，疏河道，筑堤防，取得了可喜的成绩。以筑堤为例，累计筑了1000 多里。这样，不仅确保了南北运河的畅通，也为豫东、鲁西、冀南、苏北的复苏创造了条件。
（二）灌区兴建
元明清三代政权相对稳定，农田水利呈平稳发展局面。
元朝时，蒙古族的游牧生活逐渐被内地发达的物质文明所同化。为了搞好农田水利，元廷专设了“都水监”、“河渠司”等水利机构，推动水利建设，并一再颁行《农桑辑要》等农业技术书籍，指导农业生产。
明太祖朱元璋也大力提倡农田水利。据洪武二十八年（1395年）统计，全国共兴建塘堰四万九百八十七处，河渠四千一百六十二处，陂渠堤岸五千零四十八处。
这一时期农田水利工程主要由地方或民众自办，以小型为主。由政府或军队主持的农田水利项目主要有畿辅营田（在今河北省），为的是促进京畿地区的农业发展，以减少南粮北运的负担。
随着边防的巩固，边疆水利亦有了较大的发展。其中，清前期的宁夏河套灌区建设，清中后期的内蒙河套灌区和新疆地区灌溉等成绩突出。台湾和沿海的福建、珠江三角洲的农田水利取得了重大的发展。
明朝时，宁夏是边防要地。当时，东起辽东，西到陇西，明长城沿线驻有大军，设了九个军事重镇。其中，宁夏一地就占了两个，即宁夏镇和固原镇：宁夏镇的治所在今银川市，固原镇的治所在今固原县。
明朝推行军屯制度，在边镇驻兵中，有十分之四的人负责戍卫，十分之六的人负责屯田。
为了屯田需要，明军在宁夏平原大兴农田水利，既维修旧渠，又开凿新渠。
明孝宗弘治七年（1494年），在宁夏凿渠道300 多里。明世宗嘉靖年间（1522年-1567年），新渠和旧渠灌田即达13000多顷了。
清朝，宁夏平原的水利建设也有不小的成绩。康熙、雍正、乾隆三代，相继开凿了大清、惠农、昌润等一批重要的渠道。这样，宁夏平原上新旧渠道有三十多条，再加上大大小小的支渠，可谓密如蛛网。其中有十条较为重要，号称“宁夏十大渠”。这十大渠有三条在河东灌区，即秦渠、汉渠和天水渠；五条在河西灌区，即汉延渠、唐来渠、大清渠、惠农渠和昌润渠；两条在卫宁灌区，即由蜘蛛渠演变而来的美利渠和七星渠。
元明清三朝在我国北京建都，关中的政治地位下降，政府不像汉、唐两代那样大力建设这里的水利了。再加上泥沙的淤积越来越严重，关中水浇地的面积逐渐缩小了。
元朝，由于泾水继续刷深河床，泥沙不断淤高渠底，引水渠口只好一再上移。
到了明朝，除引泾工程外，还开发了引渭工程。明宪宗成化年间（1465年-1487年），开凿了通济渠。此渠西起宝鸡，东到武功，全长210里，还配备了南北走向的四条支渠，可灌溉田地1600 多顷。
清朝，关中水利情况发生了很大的变化。由于泾水、渭水、洛水等河流含沙量都很高，以这些河流作为水源的灌区沙害越来越重，灌渠引水也越来越困难。于是，人们只好放弃引泾、引渭、引洛等大型水利工程，而去开辟新水源。关中百姓开始用泉水和山溪水灌溉田地。泉水、溪水的流量毕竟有限，因此这些灌溉工程规模都很小，抗旱力也很弱。
（三）运河开凿
在元明清三朝，由于建都北京，政治中心移到北方，而经济重心却在南方。
太湖流域是元明清三代全国经济、文化最发达的地区。自宋朝起，太湖流域便成为我国最重要的产粮区，有“苏湖熟，天下足”的说法。
元朝初年，曾一度依靠海运联系南北，但安全是个严重问题，船毁人亡是常事。
当时，还有一条联系南北的水路，是将江南的粮食装船，沿江南运河、淮扬运河（扬楚运河）、黄河、御河（卫河，相当于永济渠中段）、白河抵达通州。这条运道问题较多。黄河为西东走向，北上粮船须向西绕到河南封丘，航程很远，而从封丘到御河，还有200 多里，无水道可用，必须车运，道路泥泞时，车行极为困难。这样，如果重复唐宋的老路来连接南北，则过于迂回曲折。
南北之间的交通联系是维护政治安定和经济发展的关键问题。元朝统治者迫切需要有一条又直又安全的水道，从江南直达大都。
为实现这一愿望，关键问题是山东地区能否开凿运河。只要在这里凿出一条渠道，南北直运问题便可迎刃而解了。
于是，开凿北京直达杭州的大运河就成为当务之急了。
在大科学家郭守敬主持下，一些熟悉水利的大臣论证了海河水系的卫河、黄河下游、淮河、泗水沟通的可能性，并进行大范围的以海平面为基准的地形测量。最后，证实跨越山东的京杭大运河的方案是可行的。
得出肯定的答案后，忽必烈下令，从至元十三年（1276年）开始，征发大批民工，开凿京杭大运河的关键河段——今山东济宁至东平的一段，然后又向北延伸，与海河水系的卫河相通。
京杭大运河始建于元朝，完善于明朝，到清朝时仍是南北交通最重要的干线。它北起全国政治中心大都（今北京市），南到太湖流域的杭州。
至元二十八年（1291年）到三十年（1293年），三年间，在郭守敬的主持下，开通了今北京至通县的一段。至此，大运河南接江淮运河，航船可以跨越海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系，由杭州直抵北京，并在此后500年的时间里成为我国南北交通的大动脉。这条长达3600里的运河成为世界上最长的一条人工运河，是世界水利史上的一项杰作。
为了让南粮直达大都城，郭守敬作出了巨大的贡献。
隋朝时，今北京一带本有一条永济渠。但永济渠的北段主要由桑干水改造而成，而桑干水的河道摆动频繁，史称无定河。唐朝时，由于桑干水改道，永济渠已经通不到涿郡（今北京）了。金朝，中都（今北京市）有一条名叫“闸河”的人工河道，由都城东到潞河，可以运粮。金朝后期，迫于蒙古大军的威胁，迁都洛阳，闸河便逐渐淤塞了。
元朝初年，为了解决大都——通州间的粮运问题，至元十六年（1279年），郭守敬在旧水道的基础上，拓建了一条重要的运粮渠道，叫阜通河。
阜通河以玉泉山水为主要水源，向东引入大都，注于城内积水潭。再从积水潭北侧导出，向东从光熙门南面出城，连接通州境内的温榆河，温榆河下通白河（北运河）。
玉泉山水的水量太少，必须严防泄水。运河河道比降太大，沿河必须设闸调整。于是，郭守敬于40多里长的运河沿线建了七座水坝，人称“阜通七坝”，民间称这条运河为“坝河”。
坝河的年运输能力约为100万石，在元朝，它与稍后修建的通惠河共同承担由通州运粮进京的任务。
元朝初年，还凿了一条名叫金口河的运道。金口河开凿于金朝，后来堵塞了。在郭守敬主持下，于至元三年（1266年）重新开凿。它以桑干水为水源，从麻峪村（在今石景山区）附近引水东流，经大都城南面，到通州东南的李二村与潞河汇合。这是一条以输送西山木石等建筑材料为主的水道，是从营建大都的需要出发的。
当初，元朝实行海运、河运并举。由于海运船小道远，运量不大；而河运又有黄河、御河间一段陆运的限制，运量也很少。两路运到通州的粮食总计100多万石，由通州转运入京的任务，坝河基本上可以承担。
后来，海运技术不断改进，采用了可装万石粮食的巨舶运粮，还摸索出比较直的安全海道，再加上济州、会通两河的开凿，运到通州的漕粮大量增加。这样，大都、通州之间仅靠坝河转运已经远远不够用了。于是，郭守敬主持开凿第二条水运粮道——通惠河。