本署部分
水利局成立之初，內部設防洪、 灌溉、水政、測繪、材料、總務六組，會計、統計、人事三室。 三十九年九月會計與統計合併為會計室、四十二年會計室更名為主計室、四十五年水利局內部單位改設規劃、 設計、工務、水政、材料、總務六組、主計及人事、水權三室、 四十八年十月材料組改稱為機料組。 五十三年六月增設安全室、五十六年五月增設檢核室、五十七年二月水權室劃歸建設廳。 六十一年七月增設新聞室、檢核室改稱為研究發展考核室。 六十五年八月內部單位改設為企劃、設計、工務、水政、材料五組，秘書、主計、人事三室， 民國七十二年主計室復名稱為會計室。 民國八十六年五月改制為臺灣省政府水利處，置處長一人、副處長三人，主管一切水利業務，並置總工程司 一人，主任祕書一人輔助之。處內部設置綜計、水源、河川、工務、農水、水政、土地、材料八組及資訊、秘書、會計、政風、人事五室主掌其外務與內務工作。本處之下設水利規劃試驗所、河川局、水資源局，另外並負責監督管理本省自來水事業團體與農田水利團體。八十八年七月改隸經濟部 ，內部組織仍維持原制。
民國九十一年三月二十八日整併成立水利署，置署長一人，綜理署務，並指揮監督所屬員工，副署長三人，襄助署務，署內設置綜合企劃、水文技術、水源經營、河川海岸、保育事業、工程事務、水利行政、土地管理八組、資訊、秘書、人事、主計(一O二年會計室更名為主計室)、政風五室及水利防災中心、河川勘測隊，主掌其外務與內務工作，本署之下設水利規劃試驗所、十個河川局、三個水資源局、臺北水源特定區管理局，並負責全國水利事業之水區保育、治理、管理、調查、試驗、研究及規劃事項。
民國一百十二年九月二十六日配合行政院組織改造，水利署仍隸屬於經濟部，置署長一人，綜理署務，並指揮監督所屬員工，副署長三人，襄助署務，署內設置綜合企劃、水文技術、水源經營、河川海岸、保育事業、工程事務、水利行政、土地管理、水利防災八組及資訊、秘書、人事、主計政風五室，主掌其外務與內務工作，本署之下設水利規劃分署、十個河川分署、三個水資源分署、臺北水源特定區管理分署，並負責全國水利事業之水區保育、治理、管理、調查、試驗、研究及規劃事項。
所屬機關部分
本署所屬單位，端視工程位置、性質、規模及工程數量而有所變動 ，民國四十五年四月以前共成立宜蘭、三星、桃園、湖口、新竹、臺中、草嶺、員林、北港、斗六、 岡山、阿公店、高雄、屏東、鹽埔、台東、岡山、花蓮等十八個工程處及水文、測量兩個總隊， 高雄、蘇澳兩個轉運站。 四十五年五月因業務需要與調整，將宜蘭、新竹、臺中、員林、北港、阿公店、屏東、 台東、花蓮、斗六、岡山等工程處改稱為一至十二工程處，其餘則裁撤。 四十八年十月增加機械修理廠、與機械工程隊。 四十九年五月增加一至四個規劃調查隊及第一至七個水文站。 五十五年八月地下水工程處裁撤，業務歸併至本處。 五十七年三月增設河川治理規劃總隊。 六十五年七月第十、十一兩工程處，蘇澳、高雄轉運站等單位裁撤， 原十二工程處改為第十工程處，並在一至十各工程處增設調查課。為提昇水利事業推動效率及統一事權，本省水利機關分兩階段辦理，第一階段係整合建設廳第六科及原水利局於八十六年五月十三日成立臺灣省政府水利處，第二階段係將本省石門水庫管理局，曾文水庫管理局、鯉魚潭水庫管理局、水利局第一至第十工程處、水利局中部、南部水資源開發工程處、水利局規劃總隊、水利局機械工程隊、水利局阿公店水庫管理委員會及水利局石岡壩管理委員會等十九個機關分就水資源事業，河川海岸保護及經管、水利技術之研究發展等三方面重新整合，於八十六年一月二十三日掛牌成立臺灣省北、中、南水資源局、臺灣省第一至第九河川局及臺灣省水利規劃試驗所等十三個機關，並隸屬本處。八十八年七月各附屬機關隨本處改隸為經濟部，另在本處暨所屬機關總員額未增情形，於八十八年十一月十六日成立第十河川局。
民國九十年十月廿六日配合「台灣省政府功能業務與組織調整」，進行修編，並為促使水利機關事權統一及提昇效率，經濟部爰規劃將現行分立之水資源局、水利處、臺北水源特定區管理委員會等水利機關予以整併，於九十一年三月二十八日成立水利署，臺北水源特定區管理委員會改隸本署，改名為「經濟部水利署臺北水源特定區管理局」。
民國一百十二年九月二十六日配合行政院組織改造，15個所屬機關名稱由局(所)變更為分署，包含水利規劃分署、十個河川分署、三個水資源分署、臺北水源特定區管理分署。