1958年開始電站勘測設計，同年成立托海水電廠籌建組，年末完成《初步設計要點報告》和相應的勘測工作。
1959年12月工作停頓。
1981年，國家電力工程部水電建設總局對新疆水利水電勘測設計院下達初步設計任務。
1983年7月完成設計，同年新疆維吾爾自治區計委會同國家水利電力部水電規劃設計審查托海水電廠設計，10月批准立項，列入1984年國家計畫。
1984年4月6日，電廠籌建領導小組和籌建處成立；5月，國家水利電力部批准按工程概算9700萬元補助。新疆維吾爾自治區人民政府及有關廳、局、地（州）負責同志組成工程建設領導小組，下設工程指揮部負責日常工作。1984年7月1日，工程動工，新疆維吾爾自治區電力局為建設主管單位。
托海水電廠是80年代新疆維吾爾自治區最大的水電建設項目，列為“七五”期間重點工程。
樞紐工程有攔河壩、副壩、發電引水隧洞、導流兼排沙洞、地面式廠房、戶內式開關站。攔河壩為新疆維吾爾自治區第一座混泥土重力拱壩，壩頂高程867.2米，最大壩高57.2米，壩頂寬3.5米，壩底寬15.7米，壩頂弧長179.79米。大壩按百年一遇洪水1310米/秒設計，五百年一遇洪水1580米/秒校核。地震防震烈度7度。壩體設計孔泄洪，三孔呈倒品字型布置。中空底板高程835.5米，邊孔底板高程839.5米，孔口末端挑流消能，孔口尺寸5.5米×5米，進出口由分設的檢修門和平板工作門控制。副壩於鞍部埡口處，壩高9米，為鋼性斜牆面堆石副壩。發電引水隧洞在大壩上游600米處，採用承壓牆式進水口，設雙層攔污壩，底板高程843米，隧洞長318米，圓形斷面，洞徑7米，採用噴錨支護及200號鋼筋混凝土聯合襯護。斜井段洞徑6.5米，鋼板內襯。岔管採用丫卜型內加強筋式，主管內徑6.5米，支管內徑3.4米，中心高程819米。導流兼排沙洞進口位於發電引水隧洞進口上游側，底板高程827米，導流完成後，改建為排沙洞。導流洞斷面呈城門洞型，寬8.5米、長356米，噴錨支護，底板及邊牆為200號混凝土襯護，出口明渠直接入河床，自然擴散消能，最大導流量690米/秒。廠房位於鞍部下100米處，主廠房長70.95米、寬16.5米、最大高度29米。副廠房在主廠房上游側。開關樓及主變壓器設在主廠房下游側，與進廠公路相鄰。生活福利區在伊新、伊鞏公路岔道口。
電廠以發電為主兼有灌溉綜合效能。水庫正常水位865米，總庫容1750萬米，調節庫容470萬米，無淹沒損失。
工程土石方開挖量40萬米，混泥土澆注量9.86萬米，砌石2萬米，土石方填築8.9萬米；金屬結構安裝659噸；總工期4年，81.5萬個施工工日；總投資1.14億元。
托海水電廠水工建築規範
| 項目 | 單位 | 數量 |
| 控制流域面積 | 米 | 8656 |
| 多年平均流量 | 米/秒 | 120 |
| 最大壩高 | 米 | 57.2 |
| 壩頂高程 | 米 | 867.2 |
| 正常水位 | 米 | 865 |
| 死水位 | 米 | 860 |
| 總庫容 | 萬米 | 1750 |
| 調節庫容 | 萬米 | 470 |
| 設計洪水標準及流量 | 米/秒 | 1310 |
| 校核洪水標準及流量 | 米/秒 | 1580 |
| 泄洪孔數 | 個 | 3 |
| 泄洪中孔閘門規格 | 米 | 5×5.5 |
1986年，完成部分大壩灌溉河主廠房建築。
1987年8月~1988年8月，灌溉拱壩混凝土。1988年10月22日，1、2號機組併網發電；11月18日，主體工程通過階段性驗收，移交生產單位試生產。
1991年6月30日，3、4號機組發電。托海水電廠投產後緩解了伊寧電網缺電局面，並為興建喀什河中、下游梯級電站提供施工電源。
電廠由新疆維吾爾自治區水利廳第一工程處、新疆水力發電設備安裝公司承擔主要工程任務，水電部第五工程局二分局103隊、農四師水工團、農十師奎屯河管理處等單位參加施工。水工設施不能有效排除洪水期漂浮的大量雜草、樹枝和垃圾，造成欄污柵堵塞，每年需放水清污，每次2~3天。
電廠工程量小、投資少、工期短、位置適當、交通方便、淹沒損失很小；1990年，發電量9200萬千瓦.時，設備年平均利用3964小時，廠用電率2.30%
1994年發電量1.72億千瓦.時；固定資產1.28億元，淨值1.16億元；有職工146人，其中女職工43人，少數民族職工22人；有中高級職稱5人；設生技部、運行部、檢修部、水工部、政工部、經營部、行政部、辦公室和車隊；多種經營由富民達公司（包括水電開發公司）。
1989~1994年托海水電廠主要經濟指標
| 年份 | 發電量 （萬千瓦.時） | 供電量 （萬千瓦.時） | 廠用電量（%） | 設備年平均 利用小時 | 工業總產值 （萬元） | 全員勞動生產率 〔萬元/（人.年）〕 |
| 1989 | 4045 | 3637.58 | 4.30 | 1618 | / | 1.46 |
| 1990 | 9234.36 | 17930.35 | 3.33 | 3694 | / | 4.47 |
| 1991 | 9446.56 | 9219.86 | 2.40 | 1687 | / | 4.11 |
| 1992 | 14816 | 13882 | 2.49 | 2963 | 1133.60 | 6.31 |
| 1993 | 17508.70 | 16604.20 | ​ | 3502 | 1494.38 | 7.54 |
| 1994 | 17200 | 16860 | 2.10 | 3444 | 1298 | 7.38 |
| 水輪機 | ||||||
| 編號 | 型號 | 出力 （千瓦） | 設計水頭（米） | 設計流量（米秒） | 額定轉速（轉/分） | 製造廠家 |
| 1、2、 3、4 | HLA208-LJ-230 | 13075 | 38.3 | 38.1 | 214.3 | 重慶水輪機廠 |
| 發電機 | ||||||
| 編號 | 型號 | 容量 （千瓦） | 額定電流（安） | 額定電壓（千伏） | 額定轉速（轉/分） | 製造廠家 |
| 1、2、 3、4 | SF2.5-28、5500 | 12500 | 859.2 | 10.5 | 214.3 | 重慶水輪機廠 |
