Строительство Горьковской ГЭС (такое название станция носила до 1991 года) началось в 1948 году. 24 августа 1955-го состоялось перекрытие русла Волги. В ноябре того же года был пущен первый гидроагрегат, в декабре – еще три, оставшиеся четыре введены в эксплуатацию в декабре 1956 года. За свою историю ГЭС выработала более 103,7 млрд кВт·ч электроэнергии.

Строительство станции стало своего рода испытательным полигоном для ряда новых решений. Здесь впервые были применены технологии вибропогружения шпунтовых перемычек, масштабное иглофильтрационное осушение котлована, льдогрунтовая завеса. Это была первая ГЭС Волжско-Камского каскада, для которой был разработан проект здания пониженного типа, чьи гидроагрегаты обслуживаются снаружи краном грузоподъемностью 500 тонн.

С 2012 года на ГЭС реализуется Программа комплексной модернизации. К 65-летию полностью обновлено оборудование ОРУ 110/220 кВ, где установлены новые элегазовые выключатели. Заменены на новые ремонтные затворы гидроагрегатов, а также затворы водосливной плотины. Проведена реконструкция оборудования собственных нужд станции, систем пожаротушения и компрессорного хозяйства. На ГТС установлено 307 новых пьезометров. Ведется реконструкция автодорожного моста, проходящего по сооружениям гидроузла, и дренажной системы плотины. В 2019 году началась замена гидроагрегатов, пуск первого из них запланирован на конец 2020 года.