民国23年（1934），陕西省水利局长李仪祉视察陕南水利时，提出改建褒河引水工程计划，但久议未决。1937年，南郑、褒城、城固三县人民再三请愿，才决定修褒惠渠。1938年陕西水利测量设计队初步勘测设计，1939年进行复测，9月组建褒惠渠工程处。1940年冬全面动工兴建，工程分两期，一期工程主要为渠首枢纽和开通干渠，建浆砌石滚水坝一座，长135.3米，宽8.55米。沉沙漕一段，长443米，渠首砌护三段，总长1212米。干渠自渠首经河东店、宗营、李子沟、付家庙、狮子沟、洪沟河入城固文川河，全长32.3公里，市境内28.8公里。干渠下有支渠3条，斗、分渠46条，总长61.6公里。1942年3月，渠成试水，6月通水，当年灌田8.4万亩。二期工程为整修加固已成工程，增修部分建筑物，至1946年竣工。两期施工共修各种建筑物80多座，投工115万个，完成土石方126万立方米，砌石2万立方米，总投资409万元。随着工程的逐年完善，至1949年，灌溉面积扩大到12.74万亩。
褒惠渠通水后，经8年运用，发现：滚水坝偏低，坝身局部脱缝，1949年大坝西端被洪水冲毁15米；干渠断面设计偏小，过水量满足不了需要；干支渠建筑物设计标准不高，部分工程亟待维修；灌区排涝工程不配套，1万多亩农田排水困难。
解放后，对褒惠渠全面整修，1950年10月，陕南水利管理局制定了褒惠渠工程整修计划，1951年3月至1952年3月，国家投资36.88万元，投工27.13万个，完成土石方21.59万立方米，整修改造引水、输水、分水工程68项，主要包括：
1．翻修滚水坝：1951年3月动工，次年3月完成。用工5.17万个，水泥480吨，白灰93.5吨，耗资10.74万元，移动土石方1.77万立方米，翻修后的坝高由原来的4.3米加至4.8米，坝顶设计过水深为5.27米。提高了防洪标准，加固了工程设施。
2．维修加固渠首控水设施：除对冲刷闸、进水闸的闸墩闸台加固维修外，并改建了闸房，用滑动式启闭机取代了绞车。1951年8月开工，次年3月完成。砌料石16立方米，片石62立方米，用工1854个，耗资0.53万元。
3．干支渠建筑物的改善及增修：褒惠渠初建时，干支渠建筑物多以青砖砌筑，只有个别为半砖半石结构。1951年4月，建筑物改善工程陆续动工，至次年3月，共改建52座，增建涵洞1座。投资13.89万元，用工4.77万个，完成土方1.7万立方米，石方0.45万立方米，砌砖0.14万立方米，共用水泥214吨，白灰264吨。
4．干渠加高增厚：1951年11月至翌年3月，对干渠按5段进行加高增厚，提高了行水能力，共完成土方12万立方米，耗资1.9万元。
5．二支渠改建：原二支渠利用山河堰旧渠，坡陡流急，蜿蜒穿行于沟槽中。由于管理不善，渠道断面失形，输水损失加大。1952年陕南水利局投资6.06万元，对旧二支渠进行了全面改建。改建后的二支渠与旧渠平行。局部裁湾取直，抬高了渠床，修建涵、闸等各种建筑物18座，完成土方4.7万立方米。土渠全长7.2公里，自武家沟经石马、七里、金华3个乡的18个村，灌溉面积2.4万亩。
6．新建干17斗：1957年由褒惠渠管理局勘测设计，新修了褒惠渠干22斗渠（今17斗），1958年冬到1959年春，又对其进行了整修。渠道总长21公里，穿越丘陵地区，跨汉中、城固两市县，地形复杂，工程比较艰巨。境内12公里渠道按三段施工：第一段由引水口到狮子沟倒虹洞出口，长4.12公里，设计流量2.5秒立方米，比降二千分之一；第二段从狮子沟倒虹洞出口至草塘，长2.4公里，设计流量2秒立方米；第三段从草塘至东沟，长5.5公里，设计流量1.2秒立方米。
渠道建筑物共16座，其中较大的有窑场沟，狮子沟倒虹2座，管径1米，为装配式钢筋混凝土结构，管内流速1.53秒米，水头分别为18.6米和14.4米。干沟涵洞为砖石结构，设计排洪量41秒立方米。工程从1957年12月动工，1958年6月完成，总投资24.6万元，其中国家补助6.25万元，群众自筹18.35万元，投工94.53万个，移动土方135.46万立方米，砌石0.41万立方米，砌砖0.22万立方米。1958年后，经逐年维修改善，沿干渠17斗又修建抽水站23处，装机420千瓦。发展抽灌面积2400亩。截止1985年，灌溉面积达到1.62万亩，其中扩灌1.5万亩。
7．改建一支渠：原褒惠渠一支渠系旧山河堰的一部分，民国29年（1940）修建褒惠渠时仅将其稍加整修，承袭沿用多年，渠道弯曲流长，年久失修，灌溉效率不高，用水季节供需矛盾突出。1975年，根据灌区人民的多次要求，经上级批准，进行改建，同年10月动工，年底建成通水。改建后的一支渠，全长7.05公里，与干渠呈39度斜交。渠道引水口设于褒惠渠周宅2号桥100米。设计引水流量3.5秒立米加大流量4秒立米，渠底宽1.5米、深2米。西岸渠顶宽2米，东岸为6米，渠路结合，边坡1∶1，渠底比降二千分之一。自引水口至渠尾，按园田化建设统一规划施工，采用U型混凝土渠槽防渗结构。沿渠修燕尾式斗渠9条，设涵、闸和桥梁等建筑物66座，灌溉面积2.5万亩。与旧一支渠比较，新渠裁弯取直缩短了渠线，占地面积减少，维修管理方便，斗、分渠布局合理；渠线端直，渠岸与公路结合，利于交通运输；采用U型混凝土渠槽，防渗效果显著，渠水有效利用系数可达0.96，省工省料，抗外力性能好。改建工程共投资13.95万元，用工7.7万个，完成土石方8.06万立方米。共用水泥355吨，钢材12吨，白灰121吨，木材45立方米。
褒惠渠经逐年维修改善，设施效益不断提高，渠道引水流量从1949年的15秒立米提高到21.5秒立米。为调节灌区水量，陆续新修八里桥、狮子沟、黄坝堰等16座水库及塬上、武乡四级、东方红等42处抽水站，使灌区基本形成了一个“引、蓄、提”相结合、长藤结瓜式的灌溉网，褒惠渠在境内的灌溉面积由1949年的10.75万亩增加到1979年的16.53万亩。1971年后，褒惠渠划归石门水库灌区。因干渠渠首居石门水库枢纽南部，更名为石门水库南干渠，由石门局统一管理。