История строительства первой ступени каскада на крупнейшем притоке Волги необычна. В 1932 году был разработан эскизный проект станции, согласно которому для установки турбин нужно было углубиться в дно реки на 23 метра. Старт строительству был дан в 1934-м, но в 1937-м работы прекратились в связи со сложностью геологических условий: под створом плотины на небольшой глубине был обнаружен пласт гипсоносного грунта. Гипс мог вымываться фильтрационными водами, что привело бы к образованию пустот, опасных для устойчивости гидросооружения.

К строительству вернулись спустя 11 лет: на этот раз авторы проекта разместили агрегаты внутри водосливной плотины. Это позволило облегчить здание ГЭС и поставить фундамент выше опасных гипсовых пород.

18 сентября 1954 года первые два агрегата электростанции дали промышленный ток. Уже через два года станция выработала первый миллиард кВт·ч электроэнергии. 31 декабря 1964 года ГЭС ввели в промышленную эксплуатацию.

В рамках ПКМ на станции модернизировали 23 гидроагрегата, увеличив на 3 МВт мощность каждого из них. В результате установленная мощность ГЭС достигла 552 МВт. Кроме этого, комплексно заменили открытые распределительные устройства, обновили гидромехоборудование.

Техническое перевооружение станции продолжается по сей день. В прошлом году здесь завершили пятилетнюю программу замены восьми маслонапорных установок, работающих с момента ввода ГЭС в эксплуатацию. На станции модернизировали 23 гидроагрегата, увеличив на 3 МВт мощность каждого из них. Кроме этого, комплексно заменили открытые распределительные устройства, обновили гидромехоборудование.

В 2025 году завершится реконструкция сети генераторного напряжения, в ходе которой заменят шины, изоляторы, выключатели, разъединители и реакторы. В 2027-м полностью введут в эксплуатацию систему наблюдения за Камским гидроузлом, с помощью которой специалисты смогут в онлайн-режиме отслеживать параметры безопасной работы ГЭС.