Le nivellement du terrain sur l'emprise du barrage commence dès janvier 1667. La première pierre est posée le 18 avril 1667, au cours d'une cérémonie présidée par l'Archevêque de Toulouse. Les travaux débutent par la voûte de vidange. En 1670, l'ensemble des voûtes est terminé. En 1671 sont construits les trois murs successifs prévus par Riquet (visibles sur une coupe du barrage par François Andreossy). Le matériau choisi est le granite local, extrait sur place, sur les versants du réservoir. En 1686, afin d'augmenter la capacité du réservoir, Vauban fait rehausser la grande "muraille" de Riquet. Pour contreforter la poussée des eaux, le troisième mur est reculé vers l'aval (Mur de Vauban), les deux voûtes et le talus sont prolongés d'autant. La mise en eau définitive a lieu en 1694.

Vers 1700, le transport des robinets, depuis le Tambour contre la paroi extérieure du grand mur, rend la voûte du Tambour inutile : elle est noyée dans l'eau. La voûte de la Chambre des Vannes fut reconstruite en 1834. Les grilles qui ferment les voûtes sont du début du XIXe siècle. Sur la digue, les installations de régulation des eaux (épanchoir de surface) ou d'alimentation en eau (pelle ou vanne), abritées dans de petites constructions, ont pu être réalisées par Vauban. En 1743, on reconstruit en pierre de taille les ouvertures de l'épanchoir. En 1759, une couverture en charpente est prévue sur les empellements des extrémités du grand mur et de la Badorque. L'épanchoir du trop-plein est reconstruit en 1816. À partir de 1836, l'épanchoir de La Badorque est remplacé par un nouveau dispositif, à 12 mètres en contrebas du précédent. Cette vanne basse permet une plus grande chute d'eau pour l'alimentation du canal. Elle rend également possible le jet d'eau dans le parc. Après 1840, un nouveau mur d'empattement, destiné à contrecarrer les effets de vagues, vient compléter le premier mur amont placé dans le réservoir. L'aval de la digue, à la fin du 17e siècle, est très bouleversé par l'apport des masses de terre rapportées et demeure dénudé quelques années. Un dessin aquarellé de la main d'Antoine de Niquet, probablement réalisé autour de 1700, indique un projet de plantations d'arbres et d'arbustes au revers de la digue. Ces plantations sont destinées à maintenir les terres.

Au cours des dernières décennies du 18e siècle, l'étanchéité du barrage est une préoccupation majeure. Les maçonneries de la digue, en granite local de mauvaise qualité, doivent être consolidées. Les filtrations compromettent la tenue du talus et nécessitent de remblayer et de végétaliser pour retenir la terre. Ces travaux, coûteux, n'assurent jamais complètement la sécurité du site. Afin de pallier définitivement ce problème, l'administration propriétaire envisage la construction d'un véritable mur étanche (2005), implanté de manière invisible derrière le grand mur du 17e siècle, sous le terrassement. Cependant, l'étanchéité de la digue entraine aujourd'hui l'assèchement du talus et la mise en péril des plantations sur l'aval.