水库于1958年3月动工修建。当时正值人民公社成立之初，也是大跃进的开始阶段，群众的干劲空前高涨。动工之初，春耕刚刚开始，县政府从当时36个乡镇（当年下半年开始陆续改为人民公社）中抽调13000名农民进驻三里庄村周围的50多个村子，投入水库建设工程。
其实，三里庄水库的建设早已酝酿和准备。早在1952年，县委书记刘杰在城关辛家窑搞合作化试点时，就曾多次向市政府建设科提出要设法利用和改造扶淇河交汇处这片沙滩地的问题，以后，建设科长王鹏举等也曾多次勘察，提出在此修建水库的建议。1957年春，省水利厅派来工程技术人员专门进行了实地勘察，初步认为具备修建水库的条件。当年冬，省水利学校派来两位教师带领30多名中专毕业学生，对水库进行了详尽的勘测、设计。随后逐级上报，经山东省人民政府和中共昌潍地委、专署的批准，确定水库工程于次年春季正式动工。由于工程量大，施工期短（七月主汛期之前必须完工），所以工程一开始，就拿上精兵强将。
民工，以城关镇最多，为1200名，桃园乡最少，为330名。上阵人数不断增多，最多时超过万人。所有民工一律按营、连、排编制，各乡（镇）设有指挥部，县有总指挥部，县长刘仲衡任总指挥，副县长杨文明任副总指挥。当时的施工工具，主要是铁锹、镐头、木轮车、油筐。经过5个多月的艰苦奋战，1958年8月底，三里庄水库主体工程基本竣工。
1958年10月1日，水库开始蓄水，安装于水库大坝东段放水洞上的水力发电机组同时运行，开创了诸城第一次用上水力发电的历史，这也是山东第一处水力发电站。当时水轮机是木制，发电机由上海市东风电机厂生产，是在上海技术工人的帮助和指导下才得以安装使用的，并且单机运行，电压不稳且低。但它是诸城电力工业的摇篮，在以后的几年里，培养了大批电力技术工人。1964年诸城火力发电厂建成投产，就是从三里庄水库发电站抽调的技术工人。
1957年初，在省水利厅来诸城现场勘察的同时，诸城县政府就开始了“在城南三里庄修水库”的吹风工作；各有关乡镇在干部大会上，作了水库移民的思想动员和前期准备工作。因涉及到南三里庄、横沟子、黄家窑、辛家窑、吴家窑、陈家花园、丁家花园等十几个村庄被淹没2万多亩土地及房舍1000多间的问题，困难较多，工作量也是很大的。当时国家对水库建设的拨款，总额是598000元，主要用于大坝枢纽的建设如水力发电站、石料、水泥等支出。用在移民身上的，只有18%，即11万元左右，每户的安置费，平均只有100余元，按当时的物价，只能盖3间茅屋。因此，移民工作成了修水库的最大难点。
好在当时的国内形势很好，合作化已进入高级社和人民公社阶段，土地已归集体所有；农业已经连续获得了自1954年以来的四年大丰收。政治思想方面也历经“肃反”、“反右”等运动，达到了空前的统一。整个国民经济蒸蒸日上，前景一片光明。在这个大好形势下，水库移民工作就有了可靠的物质及思想基础。
群众知道建水库对老百姓有好处，但是，祖祖辈辈在此繁衍生息，“金窝银窝不如自己的土窝”，故土难离，眷恋之情，也是可以理解的。青年人倒没有什么，但老年人就不同了。他们心里不乐意，并不说出口，公然反对的人是没有的。移民工作的开展，照例由搞试点开始。1957年冬，即首先在横沟子村做试点。党员、团员自觉带头搬迁，全村11个党员、23个团员分工，各包几个户不等，把全村80多户分别划片包干，一户不漏地动员起来。
榜样的力量是无穷的。试点成功后，其他村的工作就好作了。自1958年春，大规模的水库移民开始。在各村党、团员、干部们的带头下，三里庄水库移民工作基本是顺利的。当时的统计是共移民村庄16个，即陈家花园、黄家窑、辛家窑、吴家窑、两河、台家村、东土墙、西土墙、孔戈庄一村、南三里庄、横沟子、李家庄子、后我乐、孔戈庄二村、丁家花园，加上新立的新农村，共计161户，742人。2004年国家对水库移民重新进行补助时，与这个数字略有出入。这次重新补助，平均每户1万余元，体现了党中央、国务院对水库移民的一贯关注和爱护。