Als die Ennepetalsperre Ende des 19. Jahrhunderts geplant wurde, stand die Rohstahl- und die stahlverarbeitende Industrie im Ennepetal in voller Blüte. 1899 wurde Prof. Otto Intze von der Technischen Hochschule Aachen mit der Planung beauftragt. Auftraggeber waren Triebwerksbesitzer der Ennepe, die sich, als die Finanzierung des Baus gesichert war, mit anderen Geldgebern 1901 zur Ennepetalsperren-Genossenschaft (dem späteren Ennepe-Wasserverband) zusammenschlossen. Am 29. Januar 1902 konnte der erste Spatenstich zum Bau der Talsperre erfolgen.

Zur Errichtung wurde eigens eine acht Kilometer lange Kleinbahnstrecke vom Bahnhof Radevormwald zur Staumauer angelegt. Zuerst ausschließlich zum Materialtransport genutzt, wurde auf Antrag der Bauleitung schnell vom Regierungspräsidium die Genehmigung zum Personentransport erteilt, da sich die Baustelle einer großen touristischen Beliebtheit erfreute. Zum Ende der Bauzeit wurde die Bahnstrecke wieder abgebaut.

In der Nacht vom 16. auf den 17. Mai 1943 unternahmen britische Bomber in der sogenannten Operation Chastise einen Großangriff mit Spezial-Rollbomben auf deutsche Talsperren. Auch die Ennepetalsperre gehörte in jener Nacht zu den Angriffszielen. Weil sie aber so versteckt liegt und schlecht zu orten war, blieb sie unbeschädigt erhalten, während ihre viel größeren Schwestern an Eder und Möhne mit verheerenden Folgen getroffen wurden.

Im Jahre 1997 wurde die Ennepetalsperre vom Ruhrverband in Essen übernommen und anschließend umfangreich saniert.