Đây là đập dâng thuộc loại lớn nhất trong cả nước, công trình này đã được người Pháp khảo sát từ thời Pháp thuộc. Công trình được khởi công xây dựng vào năm 1985 tại xã Sơn Nham, huyện Sơn Hà, tại vị trí có diện tích lưu vực 2.850km2 trên sông Trà Khúc.

Công trình được đầu tư xây dựng bằng nguồn vốn của Nhà nước và đóng góp của nhân dân trong tỉnh bằng ngày công nghĩa vụ công ích. Năm 1992, công trình hoàn thành giai đoạn 1 và được đưa vào khai thác; đến năm 1997, công trình cơ bản hoàn thành. Hệ thống công trình gồm có: đập tràn đầu mối với chiều dài 200m, hai cửa cống lớn lấy nước qua hai hệ thống kênh chính Bắc và Nam có tổng chiều dài 87,6km; 566 tuyến kênh, gồm 28 tuyến kênh cấp I với tổng chiều dài 208,4km, 85 tuyến kênh cấp II và III (có Ft > 150ha) với tổng chiều dài 208,8km và 453 tuyến kênh nội đồng (có Ft < 150ha) với tổng chiều dài 453km. Ngoài ra, còn có 15 trạm bơm điện với tổng công suất từ 980- 1.200m3/h/1 máy, lấy nước từ các tuyến kênh cấp I, II để bơm tưới cho 4.500ha đất canh tác. Công trình thủy lợi Thạch Nham có tổng năng lực tưới theo thiết kế là 50.000ha đất canh tác, trong đó tưới cho cây lúa là 31.000ha và cho cây trồng cạn 19.000ha. Công trình tưới cho các huyện Bình Sơn, Sơn Tịnh, Tư Nghĩa, Nghĩa Hành, Mộ Đức, thành phố Quảng Ngãi và một phần huyện Đức Phổ. Đến cuối năm 2005, diện tích canh tác được tưới thực tế khoảng 32.500ha, trong đó tưới cho cây lúa là 25.000ha và cây trồng cạn 7.500ha.

Từ khi có nguồn nước tưới từ công trình thủy lợi Thạch Nham, sản xuất nông nghiệp ở khu vực đồng bằng Quảng Ngãi đã có sự thay đổi rõ rệt, cuộc sống của người nông dân trở nên khá giả hơn rất nhiều. Có thể nói, công trình thủy lợi Thạch Nham đã đem lại cuộc sống ấm no cho người dân của vùng đồng bằng Quảng Ngãi.