Nằm ở bậc thang thứ 2 trong hệ thống bậc thang thủy điện trên thượng lưu sông Đà, nhà máy thủy điện Sơn La là công trình thủy điện có công suất lớn nhất với công suất lắp đặt 2.400MW, gồm 6 tổ máy (6 tổx400 MW). Điện lượng trung bình năm là 10,246 tỷ kWh (trong đó tăng cho thủy điện Hòa Bình là 1,267 tỷ kWh).
Dự án trọng điểm quốc gia này được khởi công vào ngày 2/12/2005, sau 7 năm miệt mài xây dựng, nhà máy đã chính thức khánh thành vào ngày 23/12/2012.
Với công suất trên, thủy điện Sơn La là nhà máy có công suất lớn nhất trong nấc thang thủy điện trên thượng lưu sông Đà (thủy điện Hòa Bình: 1.920 MW; thủy điện Lai Châu: 1.200MW). Đồng thời, đây cũng là nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam cho đến hiện tại và cả khu vực Đông Nam Á thời điểm bấy giờ.
Để xây dựng công trình thủy điện Sơn La, 3 tỉnh Sơn La, Điện Biên, Lai Châu phải di chuyển hơn 20.000 hộ dân; trong đó tỉnh Sơn La di chuyển hơn 12.500 hộ. Theo quyết quyết định của Thủ tướng năm 2012 về việc tạm phê duyệt tổng mức đầu tư điều chỉnh thì dự án thủy điện Sơn La có chi phí gần 60.200 tỷ đồng, trong đó vốn ngân sách gần 16.900 tỷ đồng, chủ yếu phục vụ di dân tái định cư, giao cho các địa phương thực hiện. Còn lại, số vốn hơn 43.000 tỷ đồng là vốn góp của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN); trong đó, kinh phí để xây dựng nhà máy thủy điện là hơn 34.800 tỷ đồng và một phần cho giải phóng mặt bằng.
So với mức vốn dự kiến ban đầu trong khoảng 31.000-37.000 tỷ đồng, tổng mức vốn đầu tư cho nhà máy thủy điện Sơn La đến thời điểm hoàn thành đã lên tới 58.483,412 tỷ đồng, tăng gần 60%. Với tổng vốn đầu tư cao như vậy, nhà máy thủy điện Sơn La đã trở thành dự án thủy điện có vốn đầu tư lớn nhất ở Việt Nam.
Thủy điện Sơn La có khối lượng công việc thi công lớn nhất trong khu vực với diện tích lưu vực: 43.760 km2; dung tích hồ chứa: 9,26 tỷ m3; mực nước dâng bình thường: 215m; mực nước gia cường: 217,83 m; mực nước chết: 175m. Kết cấu đập bê tông trọng lực cao 138,1m; chiều dài đỉnh đập 961,6m; công trình có 12 khoang xả sâu, 6 khoang xả mặt. Nhà máy thủy điện kiểu hở, bố trí sau đập.
Ngoài ra, thủy điện Sơn La cũng là công trình có nhiều thiết bị quan trắc nhất bao quanh thân đập chính để đảm bảo an toàn công trình. Xung quanh thân đập, chân đập, trong lòng đập gồm có 668 thiết bị đo quan trắc, được bố trí thành 7 tuyến tại 7 khu vực có chức năng khác nhau.
Về tiến độ xây dựng, theo Nghị quyết của Quốc hội, nhà máy thủy điện Sơn La sẽ phát điện tổ máy 1 vào năm 2012, hoàn thành toàn bộ Nhà máy vào năm 2015, được hiệu chỉnh phát điện tổ máy 1 vào cuối năm 2010, hoàn thành công trình vào năm 2012. Thế nhưng, trong quá trình thi công xây dựng nhà máy, thủy điện Sơn La đã cán đích trước thời hạn 3 năm.
Ngày 17/12/2010, tổ máy số 1 đã được hòa lưới thành công, tiếp đó lần lượt các tổ máy số 2,3,4 được vận hành an toàn trong năm 2011. Ngày 26/9/2012, tổ máy số 6 - tổ máy cuối cùng của nhà máy thủy điện Sơn La, đã được khởi động không tải vào lúc 9 giờ ngày 23/9, sớm hơn dự kiến.
Trên công trường, thời kỳ cao điểm có tới hơn 12.000 công nhân thường xuyên làm việc; hơn 16,6 triệu m3 đất đá được đào xúc; hơn 20 triệu m3 đất đá được vận chuyển; đầm hàng triệu m3 đất nền, đổ gần 6 triệu m3 bê tông; lắp đặt 115.000 tấn thiết bị…
Tháng 12/2012, toàn bộ nhà máy được hoàn thành (vượt tiến độ Quốc hội phê duyệt 3 năm). Thủy điện Sơn La trở thành công trình lớn nhất Việt Nam, lớn nhất khu vực Đông Nam Á.
Nhà máy thủy điện Sơn La khai thác thủy năng sông Đà để cung cấp điện năng lên lưới điện quốc gia với 6 tổ máy, công suất lên tới 2.400MW. Hồ chứa nước của nhà máy này rộng 224km2, lớn hơn hồ chứa nước của nhà máy thủy điện Hòa Bình (208km2). Tuy nhiên, dung tích của hồ chứa nước Sơn La lại nhỏ hơn, chỉ đạt 9,26 tỷ mét khối, so với 9,45 tỷ m3 của hồ Hòa Bình. Dù dung tích nhỏ hơn nhưng với công suất 2.400 MW, công trình thủy điện Sơn La đang là nhà máy thủy điện có công suất lớn nhất ở Việt Nam.
Điện lượng trung bình hàng năm của nhà máy thủy điện Sơn La đạt 10.246GWh. Giả sử mỗi hộ gia đình tiêu thụ khoảng 3.600 kWh/năm thì với con số trên, nhà máy thủy điện Sơn La có thể cung cấp điện cho khoảng 2.846.111 hộ gia đình Việt Nam mỗi năm. Đây là sản lượng điện nhiều nhất mà một nhà máy điện ở Việt Nam có thể sản xuất.
Ngoài ra, hồ thủy điện Sơn La có đập chính ngăn sông Đà cao 138,1m; chiều dài đỉnh đập 961,6m, cao gần 90m, sử dụng công nghệ bê tông đầm lăn hiện đại nhất thời bấy giờ. Đập thủy điện Sơn La là đập bê tông đầm lăn cao nhất Việt Nam và đứng thứ 9 trong top những đập cao nhất thế giới, bên cạnh những công trình của Trung Quốc, Nga, Paraguay, Mỹ, Venezuela.
Nhà máy thủy điện Sơn La là sản phẩm của bàn tay, khối óc, kết tinh trí tuệ, sáng tạo của Việt Nam. Công trình được thiết kế và thi công bởi các kỹ sư và công nhân Việt Nam, các chuyên gia nước ngoài chỉ đóng vai trò giám sát.