Строительство Цимлянской ГЭС являлось частью проекта Волго-Донского водного пути, предусматривающего строительство Волго-Донского судоходного канала и улучшение условий судоходства на Дону ниже канала. Первый подробный проект этого пути был составлен в 1927—1928 годах и предусматривал, помимо канала, сооружение десяти низконапорных плотин с шлюзами, в том числе одной — выше станицы Цимлянской. По ряду причин к реализации этого проекта не приступили. Такая же судьба постигла проекты 1933 и 1938 годов, подразумевавшие, помимо прочего, создание крупного регулирующего водохранилища в районе города Калача-на-Дону. В 1944 году проектирование Волго-Донского водного пути было поручено «Гидропроекту», где велось под руководством С. Я. Жука.

В ходе проектирования было решено разместить крупное регулирующее водохранилище в районе станицы Цимлянской. В этом случае решалось сразу несколько задач — обеспечивались судоходные глубины на наиболее сложном участке Дона от Цимлянской до Калача-на-Дону, а также глубины на нижнем Дону, появлялась возможность организации самотёчного орошения земель на левом берегу, а также выработки значительного количества электроэнергии. Альтернативные варианты размещения водохранилища обладали существенными недостатками. Так, Кумовский створ, находящийся вблизи входа в Волго-Донской канал, позволял создать ёмкое водохранилище, но не обеспечивал самотёчного орошения, требовал большого объёма дноуглубительных работ и строительства дополнительных низконапорных плотин ниже по течению. Нижне-Курмоярский створ, расположенный в 40 км выше створа Цимлянской ГЭС, при благоприятной для размещения сооружений ГЭС форме долины, приводил к необходимости трассировать Донской магистральный канал по сильно изрезанному и крутому левому берегу реки, что сильно усложняло и удорожало строительство. Использование Константиновского створа привело бы к резкому увеличению площади затопления ценных земель, а также к значительному укрупнению и удорожанию сооружений ГЭС.

При создании Цимлянского водохранилища было затоплено 263,6 тыс. га земель, в том числе 9,6 тыс. га усадеб и огородов, 0,7 тыс. га садов и виноградников, 35,7 тыс. га пашни, 71,1 тыс. га сенокосов, 78,2 тыс. га пастбищ и 30,1 тыс. га леса и кустарников. В зоне затопления оказались 164 сельских населённых пункта и частично город Калач-на-Дону, было перенесено 13 716 дворов и 507 мелких промышленных объектов. Потребовался перенос либо укрепление насыпей некоторых участков железнодорожной линии Сталинград — Лихая, был построен новый Чирский мост через Дон. На новые места были перенесены несколько участков автомобильных дорог и линий связи. В городе Калаче-на-Дону и хуторе Сталиндорф Калачёвского района построены защитные сооружения в виде обвалования и сети осушительных каналов. В зоне затопления оказался археологический памятник — древняя крепость Саркел, в 1949—1951 годах при подготовке ложа водохранилища к затоплению археологами было обследовано менее трети площади объекта.

Изменение водного режима Дона после строительства Цимлянской ГЭС, а также затруднение прохода рыб на нерест через сооружения ГЭС оказали сильное негативное влияние на естественное воспроизводство рыбных запасов Дона и Азовского моря. Эта ситуация предсказывалась проектировщиками гидроузла; с целью компенсации нанесённого рыбному хозяйству ущерба был построен ряд рыбзаводов, на которых производится искусственное воспроизводство ценных видов рыб. Эти мероприятия оказались эффективными — так, если в 1958—1960 годах в Азовском море насчитывалось 1,8 млн голов осетровых рыб, то в 1970—1972 годах их количество увеличилось до 4,1 млн, в 1975 году — до 8,1 млн, в 1980 году — до 11,9 млн, в 1988 году — до 17,6 млн голов. Впоследствии, с уменьшением рыбзаводами количества выпускаемой молоди в связи с экономическими проблемами 1990-х, а также ухудшением кормовой базы Азовского моря численность ценных видов рыб сильно снизилась. Создание Цимлянского водохранилища привело к увеличению безвозвратных потерь на испарение с его зеркала, что внесло свой вклад в снижение речного стока в Азовское море и увеличение его солёности.