最早在關中建設大型水利工程的，是戰國末年秦國穿鑿的鄭國渠。當時所以要興建這一工程，除上面所說的自然條件因素外，另一個因素是政治軍事的需要。
戰國時，我國歷史朝著建立統一國家的方向發展，一些強大的諸侯國，都想以自己為中心，統一全國。兼并戰爭十分劇烈。關中是秦國的基地，它為了增強自己的經濟力量，以便在兼并戰爭中立於不敗之地，很需要發展關中的農田水利，以提高秦國的糧食產量。
韓國是秦國的東鄰。戰國末期，在秦、齊、楚、燕、趙、魏、韓七國中，當秦國國力蒸蒸日上，虎視眈眈，欲有事於東方時，首當其衝的韓國，卻孱弱到不堪一擊的地步，隨時都有可能被秦并吞。公元前246年，韓桓王在走投無路的情況下，採取了一個非常拙劣的所謂「疲秦」的策略。他以著名的水利工程人員鄭國為間諜，派其入秦，遊說秦國在涇水和洛水(北洛水，渭水支流)間，穿鑿一條大型灌溉渠道。表面上說是可以發展秦國農業，真實目的是要耗竭秦國實力。
這一年是秦王贏政元年。本來就想發展水利的秦國，很快地採納這一誘人的建議。並立即徵集大量的人力和物力，任命鄭國主持，興建這一工程。在施工過程中，韓國「疲秦」的陰謀敗露，秦王大怒，要殺鄭國。鄭國說：「始臣為間，然渠成亦秦之利也。臣為韓延數歲之命，而為秦建萬世之功。」《漢書·溝洫志》贏政是位很有遠見卓識的政治家，認為鄭國說得很有道理，同時，秦國的水工技術還比較落後，在技術上也需要鄭國，所以一如既往，仍然加以重用。經過十多年的努力，全渠完工，人稱鄭國渠。
鄭國渠是以涇水為水源，灌溉渭水北面農田的水利工程。《史記·河渠書》、《漢書·溝洫志》都說，它的渠首工程，東起中山，西到瓠〔hu胡〕口。中山、瓠口後來分別稱為仲山、谷口，都在涇縣西北，隔著涇水，東西向望。它是一座有壩引水工程，1985年到1986年，考古工作者秦建明等，對鄭國渠渠首工程進行實地調查，經勘測和鑽探，發現了當年攔截涇水的大壩殘餘。它東起距涇水東岸1800米名叫尖嘴的高坡，西迄涇水西岸100多米王里灣村南邊的山頭，全長2300多米。其中河床上的350米，早被洪水沖毀，已經無跡可尋，而其他殘存部分，歷歷可見。經測定，這些殘部，底寬尚有100多米，頂寬1—20米不等，殘高六米。可以想見，當年這一工程是非常宏偉的。
關於鄭國渠的渠道，《史記》、《漢書》都記得十分簡略，《水經注·沮水注》比較詳細一些。根據古書記載和今人實地考查，大體說，它位於北山南麓，在涇陽、三原、富平、蒲城、白水等縣二級階地的最高位置上，由西向東，比降為0.64/00，沿線與冶峪、清峪、濁峪、沮漆(今石川河)等水相交。將乾渠布置在平原北緣較高的位置上，便於穿鑿支渠南下，灌溉南面的大片農田。可見當時的設計是比較合理的，測量的水平也已很高了。不過涇水是著名的多沙河流，古代有「涇水一石，其泥數斗」的說法，當代實測，為171公斤/立方米，鄭國渠以多沙的涇水為水源，這樣的比降又嫌偏小。比降小，流速慢，泥沙容易沉積，渠道易被堵塞。
渠建成後，經濟、政治效益顯著，《史記》、《漢書》都說：「渠就，用注填閼(淤)之水，溉舄〔xi戲〕鹵之地四萬餘頃，收皆畝一鍾，於是關中為沃野，無凶年，秦以富強，卒並諸侯，因名曰鄭國渠。」一鍾為六石四斗，比當時黃河中游一般畝產一石半，要高許多倍。
戰國末年，秦國的40000餘頃，約合今天的28000餘頃。有些學者認為這個數字不實。他們從今天涇水年均流量約50多立方米/秒，而每個流量只能溉田200頃出發，說鄭國渠最多只能溉田萬頃上下，所謂40000頃，當是鄭國虛報。鄭國因為欺騙，已經得罪秦國一次，看來他不會再有膽量進行第二次欺騙。鄭渠溉田面積較大，疑與以下兩種情況有關。一是歷史上的雨量多有起伏，不能以今律古。據著名氣象學家竺可楨《中國五千年氣候變遷的初步研究》一文載，東周秦漢為我國氣候的偏暖期，南方溫濕氣流北移，北方雨量增多。《史記·貨殖列傳》有「渭川千畝竹」的記載，竹性喜溫濕，也證明了秦漢時關中平原雨量比今為多。二是古今作物不同。古代關中主要作物為耗水量少、耐乾旱的粟和黍，而唐以後以耗水量較多的小麥棉花等為主。秦漢時，以較多的水量來灌省水的作物，溉田面積當然會大大超過今天。