1957年9月24日，中共中央、国务院发出《关于今冬明春大规模地开展兴修农田水利和积肥运动的决定》。按照中央精神和《决定》的要求，1958年，昌平区委提出修建十三陵水库”计划，并请北京市市政工程设计院设计了修建方案。1月4日，北京市委批准了修建方案，决定修建十三陵水库；同日，十三陵水库修建总指挥部成立。1月21日，十三陵水库修建工程正式开工。
十三陵水库开工典礼
2月1日，区委发出《关于今年春节不放假的通知》。《通知》指出:由于大兴水利正值最紧张阶段，区委决定春节期间各单位都不放假，组织干部参加十三陵水库义务劳动。在水库工程建设开工之初，昌平八路施工人员共8000余人和其他义务劳动人员约2000人，率先入驻施工现场。他们自带行李、粮食和炊具，从四面八方来到工地。当时正值天寒地冻时节，加之缺乏施工经验，虽然干部、民工劳动热情很高，但施工机械少，单凭人工担土筑坝工效不高，施工进度缓慢。为赶在汛期前完成筑坝任务，市委决定发动全市工、农、兵、学、商各方面力量参加义务劳动，共建十三陵水库。
施工场景
此后，参加水库施工劳动的人数日渐增多，至5月，施工人数每昼夜达10万人。在这支劳动大军中，人民解放军官兵是施工的骨干和主力。期间，毛泽东、周恩来、刘少奇、朱德等党和国家领导人也多次来到水库工地和广大人民群众一起劳动。一时间，没有命令、没有任务、没有报酬，全市工农兵学商和驻军部队一齐上阵，各国驻华使节、来华代表、院校师生默契支援，40万人、2800个劳动集体挥汗如雨，230万立方土石肩挑人抬，经过160个昼夜的奋斗，东起蟒山，西依汗包山，长627米、高29米的水库大坝终于建成。7月1日，十三陵水库落成典礼隆重举行。
十三陵水库大坝建成
十三陵水库库容总量为8100万立方米，共动土石方231万立方米，用工870万个，总投资1686万元。
十三陵水库兴建过程中，先后涌现出了2972个先进集体，20409名劳模和先进工作者。如昌平崔村乡(今崔村镇)巾帼英雄“九兰组”--闫秀兰、纪淑兰、张淑兰、刁振兰、郝玉兰、孙淑兰、刘继兰、王桂兰、金淑兰，当时她们年龄最大的22岁，最小的只有17岁。此外还有“十八勇士”、“七战友”、“五虎队”、“单臂英雄”，及沙河乡(今沙河镇)的“七姊妹”、北七家乡(今北七家镇)的“十大姐”、大东流乡(今属小汤山镇)的“尖刀队”......不胜枚举。他们以建设社会主义的巨大热情和无私奉献、不怕艰苦的实际行动，为后人留下了一笔宝贵的精神财富。
“九兰组”在工地打夯
十三陵水库的建成，带动了全区水利设施的修建。到1960年底，相继建成德胜口、沙河、王家园、桃峪口等4座水库，十三陵、引怀等8个渠道，郑各庄等10座扬水站。这些水利设施的兴建，对改善农业生产条件，增强防汛抗旱能力，提供城乡生产生活水源，以及开展多种经营和发展旅游事业，都发挥了重要作用。