万家寨水电站由拦河坝、泄水建筑物、引水建筑物、坝后厂房及开关站等组成。 中孔为压力短管式无压坝身泄水孔，布置在河床中部9号和10号坝段，每坝段2孔，孔口尺寸4米×8米，进口底坎高程946米，用平板门操作，主要用于泄洪排沙和排漂。末端用挑流消能，总泄量2156立方米/秒。
表孔为开敞式溢流堰，布置在左侧4号坝段，孔口净宽14米，堰顶高程970米，担负排水和泄放超标洪水作用，当库水位980米时，泄量864立方米/秒。 排沙孔为坝内压力钢管，布置于河床右侧13～17号电站坝段，位于电站进水口下方，进口底坎高程912米。进口段尺寸为2.4米×3.0米，设有平板检修闸门，一道事故闸门，主要用于减少进入电站的泥沙。
电站厂房进水口高程932米，钢管直径7.5米。主厂房长196.5米，宽27米（上部）、43.75米（下部），高56.3米。为坝后厂房。装6台单机容量18万千瓦水轮发电机组，额定水头68米，最大水头81.5米，最小水头51.3米。开关站布置在厂坝平台之间。 万家寨水电站主体建筑工程量：土石方开挖133万立方米，石方填筑18.5万立方米，混凝土及钢筋混凝土180万立方米。
采用分期导流方式，一期先围左岸1～11号坝段，在一期低围堰保护下，修建6～10号坝段的5个9.5米×9米的临时导流底孔为二期截流创造分流条件。至1995年11月底，左岸坝段具备分流条件。11月下旬开始截流戗堤预进占，戗堤进占长度35米。截流设计流量917立方米/秒，相应的堰前水位904.7米，戗堤顶高程906米，龙口最大流速7.4米/秒，最大落差5.3米。合龙过程中，河道实测最大流量51立方米/秒，龙口最大流速6.75立方米/秒，龙口最大落差3.49米。共抛投截流材料：15～18吨混凝土四面体88个，铅丝笼1586立方米，石料2.4万立方米，石串1600立方米。
主混凝土系统布置左坝头1010米高程，安装2座4×3立方米混凝土搅拌机。辅助混凝土系统布置在右岸，生产能力为105立方米/天。 万家寨水利枢纽工程施工区征地6583亩，其中耕地2915亩，已在1997年前完成。库区淹没影响涉及内蒙古自治区清水河县、准格尔旗和山西省偏关县3个县（旗）10个乡（镇）70个自然村，库区征地18414亩，淹没农村人口3698人、各类房窑12.38万m2、大型专项7个。库区移民安置从1994年开始，1998年全部结束，已按国家有关规定办理土地征用手续。施工区生产安置500人，库区生产安置5094人，实施后施工区和库区移民对生产生活安置的满意率均在90%以上。7个专项设施迁建处理，于1997年开工，2000年全部完成迁建，恢复了原有功能。库底清理工作在1998年9月通过了验收。
