Мысль о строительстве ГЭС в Новониколаевске (с 1925 г. — Новосибирск) зародилась еще в царской России. Изначально городские власти планировали ее строительство на реке Иня. Этому проекту не суждено было осуществиться. Помешали Первая Мировая война, Октябрьская революция.
Развитие гидроэнергетики в России стимулировал принятый в 1920 году Государственный план электрификации (ГОЭРЛО). Первая схема гидроэнергетического использования Оби была создана в 1933-34 годах. Особое внимание уделялось участку реки между Барнаулом и Новосибирском. Помимо энергетического эффекта, немаловажную роль играло изучение возможности организации самотечного орошения Кулундинской степи. Исследовательские работы были прекращены до окончания Великой Отечественной войны.
Тем временем, сибирский городок Новосибирск вырос в мощный индустриальный центр и начал испытывать острую нехватку электроэнергии. По этой причине не проводилась электрификация железных дорог и сельского хозяйства области, что неблагоприятно сказывалось на экономическом развитии региона. Остро стоял вопрос об изыскании дополнительных источников электроснабжения Западной Сибири.
В мае 1945 году изыскательские работы по выбору створа Новосибирской ГЭС на реке Обь возобновились. Был изучен участок реки протяженностью 20 км, на котором было предварительно определено 11 возможных створов. 23 октября 1945 года правительственная комиссия утвердила створ в районе деревни Нижние Чемы, расположенный в 18 км выше Новосибирска.
4 января 1950 года приказом Министерства электростанций организовали специализированное монтажное управление «Новосибирскгэсстрой». 21 января 1950 года было подписано постановление Совета министров СССР о мероприятиях по подготовке к строительству новых электростанций. Оно сакнционировало начало строительных работ и по Новосибирской ГЭС. Уж весной начались подготовительные работы по обустройству ложа для водохранилища и участка перекрытия реки.
Строительство Новосибирской ГЭС велось с небывалой скоростью, героический труд гидростроителей приравнивается к подвигу. Земляные работы в котловане здания ГЭС были начаты в 1951 году. В 1953 году в торжественной обстановке прошла укладка бетона в первый ярус монтажной площадки гидростанции. Весной 1955 года началась укладка бетона в водосливную плотину.
Перекрытие русла реки состоялось 4 ноября 1956 года. Работы по перекрытию велись с огромным трудом. Через Обь навели понтонный мост, на который заезжали самосвалы, чтобы сбросить в воду гравий и камни. Но шквальный ветер сорвал понтонный мост. Тогда, впервые в истории перекрытия крупных рек, работы решили вести пионерным способом — с двух берегов вереницы машин начали отсыпку навстречу друг другу.
Летом следующего года открылось временное судоходство через шлюз и был начат монтаж первого гидроагрегата. Его пуск состоялся 10 ноября 1957 года. На тот момент стен и крыши машинного зала еще не было, агрегат работал под шатром. Водохранилище было наполнено до промежуточной отметки.
Через два года, в 1959 году, заработал последний, седьмой гидроагрегат. К этому времени водохранилище было заполнено до проектной отметки, что позволило вывести гидроэлектростанцию на полную мощность. 12 августа 1961 года государственная комиссия приняла Новосибирскую ГЭС в постоянную эксплуатацию.
В середине семидесятых годов Новосибирская ГЭС вошла в список охраняемых архитектурных памятников истории и культуры России.
С момента ввода в эксплуатацию Новосибирская ГЭС совершенствуется в соответствии с требованиями нового времени и экономическими условиями. В 1972 году начались работы по модернизации гидроагрегатов, была увеличена их мощность — с 57 до 65 МВт. В результате установленная мощность увеличилась с 400 до 455 МВт.
В 1992 году был утвержден проект реконструкции и технического перевооружения станции, предусматривавший замену устаревшего и изношенного оборудования на новое. В его рамках с 1993 по 2006 год были заменены все гидрогенераторы станции.
С 2012, в соответствии с технической политикой ПАО «РусГидро», на Новосибирской ГЭС началась реализация Программы комплексной модернизации (ПКМ). Наиболее крупным проектом ПКМ стала замена устаревших турбин на новые, с улучшенным КПД, с современными техническими характеристиками. В июне 2019 года произведена замена последней турбины, все семь гидроагрегатов станции модернизованы и оснащены новыми высокоэффективными турбинами. В январе 2020 года установленная мощность Новосибирской ГЭС увеличена до 490. В декабре 2025 года ПКМ полностью реализована. Все запланированные работы проведены в срок и с наивысшим качеством.
В настоящее время реализуется программа технического перевооружения гидроэлектростанции, которая направлена на повышение технико-экономического уровня. Она включает замену морально и физически устаревшего оборудования, механизацию работ, внедрение автоматизированных систем управления и контроля, совершенствование процессов производства.