Об использовании гидроэнергетического потенциала Зеи впервые задумались еще в 1930-х годах, а детальные изыскания были начаты в 1954 году. Внимание проектировщиков сразу привлек удобный створ у Зейских ворот – в том месте, где Зея прорывается через горный хребет. Условия створа давали возможность построить крупную ГЭС с емким водохранилищем.
Предварительный проект Зейской ГЭС был создан в 1961 году и предусматривал создание станции с грунтовой плотиной. Однако, от него пришлось отказаться, поскольку строительные организации были не готовы возводить такую плотину. Вместо него были созданы два варианта, с традиционной гравитационной бетонной плотиной и массивно-контрфорсной плотиной, из которых к исполнению был принят второй, как более экономичный.
Строительство Зейской ГЭС было начато в 1964 году, в 1972 году перекрыта река, а в 1975 году пущен первый гидроагрегат. В 1985 году возведение станции было в целом завершено, на тот момент это была крупнейшая гидроэлектростанция Дальнего Востока, и она удерживала этот титул вплоть до ввода в эксплуатацию Бурейской ГЭС, занимая сегодня почетное второе место.
Основа конструкции Зейской ГЭС – это плотина редкого массивно-контрфорсного типа. Ее устойчивость обеспечивается как за счет веса, так и вследствие упора контрфорсов в дно реки. При этом визуально плотина не отличается от обычной гравитационной, поскольку контрфорсы снаружи прикрыты бетонными плитами с целью обеспечения благоприятного температурного режима. Но если войти внутрь плотины, необычность ее конструкции становится очевидной.
На плотине располагается водосброс достаточно традиционной для больших высоконапорных ГЭС конструкции – с водосливной гранью и трамплином, который отбрасывает поток воды от плотины. Гашение его энергии происходит в яме размыва на дне реки.
Внутри плотины расположены железобетонные водоводы, подающие воду к гидроагрегатам, находящимся в приплотинном здании ГЭС. Всего гидроагрегатов шесть, из них четыре имеют мощность 225 МВт, а два – 215 МВт. Таким образом, мощность станции составляет 1330 МВт, в среднем в год она вырабатывает 4,91 млрд кВт.ч возобновляемой электроэнергии.
Гидроагрегаты используют редкие турбины диагонального типа, одни из крупнейших в мире. Эти турбины дороже, но эффективно работают в широком диапазоне напоров – что позволило ввести в эксплуатацию первые гидроагрегаты при напоре значительно ниже проектного, не используя временные рабочие колеса гидротурбин. Кроме Зейской ГЭС, диагональные турбины использует только одна гидроэлектростанция России – Колымская.
Плотина Зейской ГЭС создала одноименное водохранилище, которое по своему полному объему занимает третье место в России. Уникальной особенностью водохранилища является наличие специальной противопаводковой емкости выше отметки НПУ, объемом 10,94 км³, которая заполняется при прохождении сильных паводков. Помимо выработки электроэнергии, Зейская ГЭС играет важнейшую роль в борьбе с наводнениями – так, в ходе мощнейшего наводнения 2013 года Зейское водохранилище задержало в себе почти две трети поступившей воды, значительно снизив разрушительную силу паводка. А в 2016 году в водохранилище станции был полностью аккумулирован максимальный суточный приток за всю историю наблюдений в объёме 16 100 м³/с, при этом расходы в нижний бьеф составили всего 726 м³/с – и люди в нижнем течении катастрофический паводок просто не заметили.