大坝拦河坝为混凝土双支墩大头坝，最大坝高58．8米，坝顶高程176．5米，坝顶总长311米，河床右侧的2号支墩为溢流坝段，总长136．85米。每支墩宽23米，溢流坝顶高程161米，上置1l扇10×9米(宽×高)钢弧门，控制蓄水。河床左侧8—11支墩为挡水坝段，每支墩宽18米，总长72米；左右两岸以浆砌石重力坝与岸坡衔接。

水库设计为百年一遇洪水流量10080立方米/秒，相应下泄流量13680立方米/秒，单宽(1米)流量为92．3立方米/秒，千年一遇下游水位139．9米。

溢流板厚一般为2米，反弧段增厚为3米，25度反弧毕坎跳流消能。根据[1967]湘水电农水字第049号文通知，双牌水库于1967年元月10 13正式关闸蓄水。1967年6月27日上午11时首次蓄正常水位170米。1968年4月，双牌水库大坝坎下数次突然断流，8号支墩下游出现20米长、5米宽的浑水异常现象。后经1971年和1972年补充勘探查明，坝基下潜伏有五层泥化夹层，坝基摩擦系数只有0．4，达不到设计0．5的要求，导致大坝稳定不够，危及大坝安全。其原因是大坝施工阶段进行的帷幕灌浆已局部破损失灵，夹层被淘刷，因而清水变浊。同时，挑流消能使溢流坝下游冲刷坑形成，并发展很快，坑既大又深，造成大坝下游悬空并危及大坝安全。后报经水电部批准，决定采取在坝下游约10万立方米的岩体内作高强钢丝束的预应力锚固，在水深50米大坝近水面用木牌组成平台，将原防渗帷幕灌浆补偿，将大坝挑流鼻坎进行延长加厚等综合措施，对大坝基础进行加固处理。全部加固施工任务由湖南省水利水电勘测设计院设计，湖南省水利水电工程公司施工，1974年10月开始，到1980年8月完成。其预应力锚固，从1977年春开始，到1984年完成，至1995年工程运行良好。