漢武帝非常注重治水工程建設，這體現在兩個方麵：一是治理水患，二是興修水利。漢初六十餘年中，黃河比較穩定，僅在漢文帝時期決過一次口，旋即堵塞。元光三年（前132 年）三月，黃河自頓丘改道東南流入渤海；五月，在濮陽瓠子決口；然後移道東南注钜野澤通淮河、泗水，泛濫成災。瓠子是一條河流的名字，它自今河南濮陽分黃河水東出，經山東鄄城、鄆城、梁山、陽穀，至阿城、茌平，東入濟水。
這年，黃河水格外狂暴不馴，激流衝破了瓠子附近的大堤，經東南注入兗州的钜野澤，再通往淮河、泗水後入海。遭受水災的有16 個郡，無數的良田被淹，莊稼被毀，人或為魚鱉。
漢武帝得到消息後，立即下旨讓汲黯前往河南郡抗汛。汲黯奔赴河南郡，隻見滔滔河水已經淹沒了不少良田，到處是難民逃難，屍橫遍野。可是雨還在不停地下，河南郡守束手無策，又不敢開倉賑災。汲黯派士卒築堤防洪，他汗涔涔地來到郡府，要郡守開倉賑災。
郡守不敢，說道：“這是國庫，沒有皇上旨令，誰敢開倉，這是要殺頭的啊！”
汲黯正色道：“看這麽多饑民，再不開倉全餓死了怎麽辦？”
可這郡守還是不肯開倉救人。汲黯萬分焦急，於是急中生智，想了個辦法，隨即朝國倉門口對郡守高呼：“聖旨到，河南郡守接旨。”
河南郡守聽到“聖旨”兩個字立馬肅穆勤恭敬。汲黯道：“皇上口諭，因黃河水泛濫，致使下遊各郡生靈塗炭，百姓朝不保夕，著令河南郡守即刻開倉放糧。欽此。”郡守聽到有皇上口諭，隻得開倉放糧，災民們忙排隊領取粟米。
汲黯高聲說：“災民們，皇上體恤百姓，特開倉放賑。”
災民們都異口同聲地感謝皇上。被施救的災民們為了感謝皇上的體恤，都參與到了河岸築堤防洪的隊伍當中。然而，大雨愈下愈大，沒過多久，好不容易才堵住的河堤再次被洶湧的浪濤衝毀。眼看河水就要進城，汲黯忙派人連夜進京向皇帝告急。
漢武帝得知後，親率十萬將士來到瓠子決口。漢武帝命令官自將軍以下全部參加堵塞決口的工程。他注意到東郡地區的百姓燒柴草做飯，修築堤壩必需的樹木槁草不足取用，令全軍砍衛地淇園之竹，作為塞河工程減緩水流速度的“楗”，以連接竹編的“石”、草包實土，逐次增加密實程度，終於堵塞住決口。
在漢武帝的親自指揮下，奔騰咆哮的黃河水終於被製服。經受了二十多年水淹之苦的廣大地區，消除了水災。漢武帝顯得非常興奮，眼望東流而去的黃河水，認為是自己的虔誠感動了河神。於是下令，在瓠子合壟處的大堤上建造一座宮殿，賜名為“宣防”。這殿名來自《瓠子歌》中的一句“宣防塞兮萬福來”，含有防範洪水、祈求萬福之意。漢武帝想用這個水利工程向天下人證明，自己確實完成了“複禹舊跡”的使命。
黃河終於恢複故道。漢武帝又命由瓠子引黃河水北開二渠。這以後，梁、楚之地再不受河災了。漢武帝還治理陝西的褒水、斜水，在兩水之間造長五百餘裏的褒斜道。漢武帝親臨瓠子治河，有很大的象征意義和號召性，水利灌溉事業因此普遍展開，迅速發展。
漢武帝興修水利有明顯的經濟目的。一是要便利漕運，損漕省卒。
二是灌溉民田，增加土地肥力，改善生產條件。三是備旱消災防災。
漢武帝之所以很重視治水，除了出於順行天意的傳統觀念，更重要的是他對水利關乎國計民生的認識。經過這次治理，此後八十多年黃河未發生大水災。這種由政府組織、皇帝親臨工地直接指揮的治理黃河工程，是曆史上的第一次，它是漢武帝一生中的豐功偉績之一。
漢武帝在關中地區還開鑿了許多水渠，運送漕糧，灌溉農田。元光六年（前129 年），漢武帝批準大司農鄭當時的建議，沿秦嶺北麓開鑿人工運河漕渠，並令水工徐伯主持修建，漕渠與渭河平行，使潼關到長安的水路運輸的時間大量縮短。
漢代漕渠的起點是從昆明池經昆明渠流經西安北郊河止西、溝上村，穿過灞河，經新築鎮、新豐鎮、渭南、華縣到華陰市北進入渭河，全長300 裏。不僅減少了漕運的時間，還可以灌田一萬餘頃。
在開鑿漕渠的同時，有個叫嚴熊的人，他上書漢武帝，建議修渠引洛水灌溉今陝西蒲城、大荔一帶萬餘頃旱地。漢武帝采用了他的建議，征發民工萬餘人，修鑿龍首渠，自引洛水經商顏山南行至臨晉。因商顏山一帶土質疏鬆，渠岸易崩，水工便在地麵每隔一段距離鑿一井，深者四十餘丈，使井下渠道相通、形成一條長達十餘裏的井渠，使井下相通行水。因為這條渠在開鑿時曾挖出了龍骨化石，因此，把它稱作為龍首渠。工程曆時十餘年才完成。
龍首渠的以井通渠，是我國古代水利工程中的一項創舉。龍首渠引洛水灌溉重泉以東的田地，改變了因缺水而低產的狀況，據估計每畝大約可產穀10 石。
元鼎四年（前113 年），兒寬升為“左內史”。負責治理京城長安所在關中地區的民政。兒寬在任期間，以儒家道德教化民眾，采取了一係列獎勵農業的措施並且緩解了刑罰，重新清理了獄訟案件，選用了一些仁厚的人，體察民情，做事講究實事求是，不務虛名。因此，深得關中地區民眾擁戴。
關中地區，在秦時修建了鄭國渠，兩岸農民深得灌溉之利，土地肥沃，田賦是第一等的，是漢朝賦稅的重要來源之一。兒寬了解到，鄭國渠上遊南岸高卯之田仍然十年九旱。漢朝初年，這裏“百畝之收，不過百石”，仍有一部分人民衣食不足。兒寬首倡開鑿六輔渠。
得到漢武帝的同意後，兒寬征發民工，在鄭國渠上修築了六條渠道，史稱“六輔渠”，使兩岸高卯之地得到灌溉，原來的鄭國渠發揮了更大的效益。為了做到避免糾紛、合理用水、上下遊兼顧，兒寬還製定、頒布了“水令”，使人民按令用水，上下相安。
這些措施很快使關中地區出現農業豐收、經濟繁榮的局麵。兒寬十分關心民間疾苦，收繳租稅的時候，對一些豐歉不同的地區和農戶進行適當調整，對一些貧弱戶和因故不能及時繳納的可以延緩和減免，因而賦稅征收速度較慢。後來，因軍務用糧緊急，朝廷令左內史征收賦稅。
於是，大戶趕牛套車，小戶擔挑背負，交糧路上人車連綿不絕。結果，賦稅任務不但沒有落後，反而成為完成最快最好的。漢武帝愈加驚奇兒寬的才能。
漢武帝為了督促各地官員都重視興修水利，發展農業生產，特意下詔表彰兒寬。這表明了漢武帝對農業的重視，也道出了他興修水利工程的目的是在於發展農業生產。
太始二年（前95 年），時鄭國渠竣工已逾百年，多年失修，效益大減，長安糧荒嚴重。於是，趙中大夫白公複奏請穿渠引水。該工程首起穀口，尾入櫟陽，長200 裏，溉田4 萬餘頃。為紀念白公功績，該渠被命名為“白公渠”，後稱“鄭白渠”，涇陽縣百姓習稱“白渠”。白公渠使用壽命從漢武帝太始二年（前95 年）到宋徽宗崇寧五年（1106 年），是引涇諸渠中使用最久的一條。班固曾經在《西都賦》中說：“鄭白之沃，衣食之源。”
除此之外，在關中地區的水利工程還有靈軹渠、成國渠，等等。水渠縱橫交錯，形成一個廣大的灌溉網，對關中地區的農業發展發揮了巨大作用。
漢武帝時期的水利工程並不僅限於關中和關東地區，還推廣到新疆、寧夏、內蒙古、雲南等最邊遠的地區，當時的人均占有溉田麵積約0.4 畝。漢武帝一朝開發並受益的大中型農業灌溉水利工程，大約占秦至兩漢400 年間全部水利工程總量的50%。