2011年5月，流域水循环模拟与调控国家重点实验室(筹)建设申请正式获得科技部的批准，2013年12月通过科技部的验收。实验室由水利部主管，依托单位为中国水利水电科学研究院。实验室2015年首次参加科技部对46个地学领域国家重点实验室评估，获得优秀佳绩。

实验室以水利部水沙科学与江河治理重点实验室和水利部水工程建设与安全重点实验室的主要科研条件为基础，有机结合了中国水利水电科学研究院相关领域的科研条件。拥有国内外先进的水循环与配置实验场、河流环境实验室、水力调控实验室、水沙调控与江河治理实验室、灾害机理实验室、工程抗震实验室、水环境实验室、结构材料实验室、离心模拟试验室、水资源与水土保持工程技术综合试验大厅等试验条件。建设了青海湖水文生态监测试验研究基地、草地水循环与生态修复实验基地、鄱阳湖水文生态监测研究基地、查干湖水文生态调控研究基地、三峡水库生态环境原位观测与试验站、南水北调工程运行安全监测试验基地、张家口生态农业水循环试验监测基地等野外原型观测实验基地。

实验室主任为中国工程院院士王浩，副主任为胡春宏院士、汪小刚教高、贾金生教高、刘之平教高。实验室第二届学术委员会主任为胡四一教高，学术委员会由流域水循环模拟与调控领域知名专家学者组成。

实验室旨在建设一支世界一流的流域水循环模拟与调控研究队伍，成为我国在本领域内的科研创新基地和人才培养基地。

实验室围绕“自然-社会”二元水循环基础理论建立、水循环及其伴生过程综合模拟、多过程耦合演化机理和规律识别、二元水循环综合调控理论方法和技术体系的构建，共设五个研究方向，分别是：①二元水循环基础理论；②流域水循环及其伴生过程；③复杂水资源系统配置与调度；④流域水沙调控与江河治理；⑤水循环调控工程安全与减灾。