设计、建造都江堰水利工程是李冰对子孙后代的伟大科学贡献。与沫水治理相比，都江堰工程显然要复杂得多而其地位与价值也高得多。都江堰历史上曾先后被称为浙棚、浙堰、金堤、都安大堰等，唐代称“楗尾堰”，到宋代才有了“都江堰”的名称。
都江堰是岷江中游的一项大工程。岷江从岷山发源，一路急流而下，到灌县地域又进人了平川地界。这里地形复杂，加之泥沙淤积，使得航行十分困难，而且江水在洪水季节常常泛滥。令人感到奇怪的是，西边遭受洪水肆虐的时候，东边却因缺水而受旱灾之苦。
李冰到任以后，听到了大量的民众呼声，亲临实地考察后不久就开始实施这项规模浩大的工程。近现代的人们所见到的都江堰工程，从上游数起，主要有百丈堤、都江鱼嘴、内外金刚堤、飞沙堰、人字堤、宝瓶口，其中最重要的是都江鱼嘴、飞沙堰与宝瓶口。现在可以肯定这3项主要工程都是李冰所主持修筑的。
都江鱼嘴，又名分水鱼嘴，是人工筑起的一条纵向的大堰，因为头部像鱼头，所以称为“鱼嘴”。又因为它的作用在于把上游流下来的江水分为内、外两股(堤左西面的为外江，是岷江的主流;堤右东面的为内江，是灌溉东面田地的总渠)，所以称为“分水鱼嘴”。
在修筑这条分水堤堰的时候，开始采用向江心抛掷石块的办法，但由于江流过急而始终没有成功。后改用竹子编成的长10米、宽0.6米的特大竹笼装满大块的卵石沉人江底，才终于筑成了这条大堤堰。这条分水堤堰，也就是《华阳国志·蜀志》与《水经注·江水》所记载的“壅江作堋”的“堋”。这个分水鱼嘴和灵渠上的铧嘴、沱江官渠的平水梁很相似，它们之间究竟是否存在承继或学习启迪的关系，是许多专业学者们仍在继续深入研究的。
分水鱼嘴筑成以后，使得岷江水得以分流，既可以使干流外江的水量不致太大，从而大大降低了洪水季节泛滥成灾的概率，同时又使东面内江能灌溉灌县的田地，免除了灌县旱灾的产生。鱼嘴的分水量有一定的比例，大致是外江占4成，内江占6成，为了避免洪水季节内江也产生涝灾，又修筑了飞沙堰。
飞沙堰的修筑方法与鱼嘴分水堰相同，也是用特大竹箱装满卵石而堆筑成功的。这条堰的难点与关键，在于它的高度必须正好适宜，才能使内江的水位在达到一定高度后，江水会漫过堤堰而流人外江。在内江水位过高、水量特大、水速过急时，更会把堤堰冲垮，内江的水直泄外江，更可以确保内江整个灌区的安全。这条堤堰所以取名为飞沙堰，还因为它与宝瓶口配合，能产生排沙作用。
分水鱼嘴与飞沙堰所采用的竹笼填石法，是一个既简便又高效的创新，可就地取材，施工方便，费用低廉，实用高效。在建筑学上，人们对此有十六字的高度评价——重而不陷、击而不反、硬而不刚、散而不乱。如此高明的创造，是否为李冰首创，目前还未能肯定，但就目前所知在李冰之前还从没发现，所以很可能是李冰发明并在如此大型的工程中予以使用的，但也很可能是他吸取了民间的或前人的经验而加以发展的。
宝瓶口工程，实际是整个都江堰工程的第一步，李冰最先就是把阻碍江水东流的玉垒山劈开。这项工程开始也不怎么顺利，工程进度很慢。后来，李冰在富有经验的民工们的建议下，采用了火烧山岩、让岩山爆裂的方法，使得工程进度加快，最终把工垒山劈开了20米左右宽的大口。因为它的形状像瓶口，就命名为宝瓶口。把分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口联合起来，就使得岷江在这里成功地实现了分流，也就实现了既消除西面水患、又消除东面旱灾的缺陷，一举两得，功德无量。