石門大壩為中央垂直心層土石壩，位於大漢溪石門峽谷，大壩攔阻大漢溪溪水成為水庫，最大壩高133.1公尺，為全台第二高的土石壩；石門大壩原設計為混凝土拱壩，施工初期因地質未如預期，於民國49年變更為土石壩，為國際罕見。
溢洪道位於右山脊人工開鑿的鞍部，主要功能在排洩大壩上游的洪水量，裝設六座弧型閘門，設計排洪量為11,400立方公尺/秒，係石門水庫最大的排洪設施。
排洪隧道入口位於溢洪道上游約600公尺處，隧道共有兩條，中心線相距30公尺，每條隧道設計流量為1,200立方公尺/秒，為水庫排洪量第2大的洩水設施，為因應民國52年9月葛樂禮颱風超大洪水後檢討所興建，本工程於民國73年5月竣工，為石門水庫完工後第一件改造工程。
石門發電廠發電用水取自斜依式取水塔左側進水口，以壓力鋼管引水經不對稱型分歧管後分為兩管後，再進入石門發電廠發電，發電尾水則排至後池調蓄利用。
石門發電廠設有兩部發電機組，原各自有壓力鋼管自取水塔取水，民國93年8月艾利颱風後，一條鋼管改建為排砂隧道，一條以分岐管銜接兩部發電機組，石門電廠由北水分署委託台灣電力公司代操作營運。
排砂隧道為原2號發電鋼管改建而成，配合颱洪期間可將高含砂量渾水(異重流)以每秒300立方公尺的水量進行排砂作業，本工程於民國101年12月完工，是台灣第一座將在役水庫鋼管改建為排砂隧道的水庫。
永久河道放水道(PRO)取水口位於排砂隧道右側，進水口中心線標高169.5公尺，為水庫高程最低的洩水設施，主要功能是在水庫正常運行情況下，如發電機組停機維修，仍可洩放水庫蓄水供給桃園大圳及下游灌區的灌溉用水，並可在颱風季節配合防洪運用排洩水庫蓄水。
後池堰位於大壩軸線下游1.8公里處，全長約530公尺，分為混凝土溢洪段及土石段。大壩下游至後池堰間所形成後池，用來調節電廠發電後之尾水，並兼具有洩洪時之消能作用，設計調蓄容量為220萬立方公尺。後池堰左岸旁分別設有自來水公司平鎮淨水場第二原水抽水站、桃園大圳取水口及沖刷道閘門，後池堰右堰座則設有溪洲圳閘門。
桃園大圳取水口係鋼筋混凝土箱形結構物，自後池引取用水，設計取水量16.8cms。沖刷道建於取水口旁側，協助排砂避免取水口淤積。主要供應桃園台地地勢較低緩的北桃園之桃園水利會灌區用水，也供應北桃園部分公共給水。
石門大圳渠首工位於左壩座，係一直立塔形結構物，取水口中心高程193.55m，設計取水量18.4cms。大圳幹渠長27.34km，支渠19條共長97.49km，分渠44條長170.029km，幹渠前20km依地勢沿山麓斜坡而建，供應地勢較高的南桃園之石門水利會灌區用水及公共給水，與桃園大圳共同分擔桃園地區供水任務。
分層取水工工位於大壩左側山坡，可依水庫水位分上、中、下層不同高程取水庫表層低濁度原水，解決石門大圳取水口(入口高程193.5m)於颱風時期原水濁度過高問題，所取原水以隧道及管路輸送入桃園大圳或送往三坑抽水站。本工程是台灣首座在營運中增設取水設施的案例。
中庄調整池位於石門水庫下游約12公里的大漢溪左側廢河道，於大漢溪設攔河堰引水。平日調整池蓄滿，於颱洪高濁度期間，石門水庫全力排砂導致鳶山堰原水濁度升高時，發揮備援供水功能作為板新及大湳給水廠之自來水源。調整池有效庫容量505萬噸，每日可供水最大80萬噸，可備援供水7天以上。
為加強石門水庫防淤及排洪能力，於庫區中游阿姆坪興建「阿姆坪防淤隧道」，主隧道長約3,702公尺，工程經費約36.58億元，於民國112年4月竣工。
防淤隧道完工後之運轉方式，平時則藉由抽泥船將淤積物透過隧道內裝置的輸泥管送至出口，再藉由分選設施，將泥砂資源部分再利用，可沖淤料則於颱洪期間藉由水力排砂排入河道出海。