Предыстория станции началась гораздо раньше. Еще в начале 1960-х годов «Институтом Гидропроект» была подготовлена схема энергетического использования бассейна Верхней Кубани. Позже было разработано проектное задание «Зеленчукские гидроэлектростанции и II очередь Куршавских ГЭС», затем – технический проект «Зеленчукские гидроэлектростанции и II очередь Куршавских ГЭС. Зеленчукская ГЭС – II очередь строительства».
В течение многих лет проектная документация неоднократно уточнялась, корректировалась и изменялась. И только в 1976 году на месте нынешних гидрообъектов Зеленчукской ГЭС-ГАЭС развернулось масштабное строительство. Практически одновременно возводили станционный узел, строили водозаборный гидроузел на реке Аксаут и деривационный перебросной канал с системой тоннелей и дюкеров.
В 1989 году реализация проекта фактически приостановилась. Возобновились работы на площадке в 1994 году, когда РАО «ЕЭС России» решило активизировать сооружение Зеленчукской ГЭС. На строящуюся гидроэлектростанцию были направлены в качестве руководителей профессионалы-гидроэнергетики Григор Саратикян и Рахметула Альжанов, которые привлекли специалистов, работавших с ними на Нурекской ГЭС. Многие из этой команды и сегодня трудятся на Зеленчукской ГЭС-ГАЭС. Благодаря их знаниям и опыту к 5 июня 1999 года был закончен монтаж первого гидроагрегата, а 9 августа этого же года состоялся его пуск.
Инженер-инспектор по охране труда Зеленчукской ГЭС-ГАЭС Наталья Чигинцева, работавшая в то время начальником смены станции, вспоминает: «Специалисты, которые проводили испытания, в течение двух недель не отходили от своих рабочих мест, ночевали здесь, ели то, что передавали близкие из дома. Все устали неимоверно, но сколько эмоций было в день торжественного пуска первого гидроагрегата! Он стал выдающимся событием для всей Карачаево-Черкесии. А мне еще и посчастливилось дежурить в этот день и собственноручно синхронизировать с главного щита управления работу ГЭС в первые часы после пуска».
Решение о создании на базе Зеленчукской ГЭС гидроаккумулирующей станции принималось, когда станция уже вошла в РусГидро. Проект Зеленчукской ГЭС-ГАЭС был утвержден в сентябре 2010 года, в 2011 году строительство развернули в полном объеме.
Комплекс гидротехнических сооружений Зеленчукской ГЭС-ГАЭС включает в себя три низконапорных водозаборных узла на реках Большой Зеленчук, Маруха и Аксаут, уникальную систему деривации, два уравнительных резервуара, две вертикальные шахты и два водовода, бассейн суточного регулирования и искусственный нижний бассейн с водоприемником. В здании ГЭС-ГАЭС установлены два гидроагрегата мощностью по 80 МВт и два обратимых гидроагрегата мощностью по 70/80 МВт.