Концепция Зеленчукской ГЭС была сформулирована специалистами "Гидропроекта" еще в начале 1960-х годов, при разработке схемы гидроэнергетического использования Кубани. Она предусматривала переброску в Кубань большей части стока ее притоков - Большого и Малого Зеленчуков. Это позволяло решить сразу две задачи - построить Зеленчукскую ГЭС и увеличить забор воды в Большой Ставропольский канал (что, в свою очередь, увеличивало выработку электроэнергии расположенными на нем станциями Каскада Кубанских ГЭС.
В 1968 году было утверждено проектное задание, а в 1971 году - технический проект Зеленчукской ГЭС мощностью 320 МВт (4 гидроагрегата по 80 МВт) и среднегодовой выработкой 651 млн кВт·ч. Но к строительству станции удалось приступить только в 1976 году. По причине большой сложности проекта и ряду других факторов стройка затянулась, а в 1989 году с нарастанием социально-экономического кризиса в стране и вовсе приостановилась.
К концу 1980-х годов значительно ужесточились экологические требования к гидроэнергетическим объектам, следствием чего стала переработка проекта. Если изначально планировалась переброска 77% годового стока Зеленчуков, то в новом проекте - только 50%. В результате мощность станции снизилась вдвое - два гидроагрегата стали избыточными, для них просто не хватало воды. Однако, здание ГЭС уже было построено с расчетом на четыре агрегата, и они уже были даже частично смонтированы (в части закладных частей гидротурбин). Были также пройдены обеспечивающие их подземные сооружения - тоннели и шахта.
Строительство Зеленчукской ГЭС было возобновлено в 1994 году, первый гидроагрегат был пущен в 1999 году, второй - в 2002 году. Но просто забросить уже созданный задел под два гидроагрегата было бы слишком нерациональным решением, поэтому возникла идея использовать его для создания гидроаккумулирующей электростанции. В существующие пустые кратеры нужно было поставить два обратимых гидроагрегата, в качестве верхнего бассейна использовать существующий бассейн суточного регулирования, а нижний бассейн разместить на свободном участке земли напротив здания ГЭС, на другом берегу Кубани. Здание ГАЭС и нижний бассейн требовалось соединить водоводами, в изначальном проекте они размещались на мосту, но в итоге было решено проложить их под дном реки.
Строительство Зеленчукской ГЭС-ГАЭС было начато в 2010 году и завершено в 2016 году. В результате появился уникальный, единственный в России гидроэнергетический объект, сочетающий в себе гидроэлектростанцию и гидроаккумулирующую электростанцию.