เขื่อนแม่กวงอุดมธารา สร้างขึ้นตามมติคณะรัฐมนตรีเมื่อวันที่ 27 กรกฎาคม พ.ศ. 2519 โดยกรมชลประทาน เริ่มสำรวจออกแบบ และก่อสร้าง ในปี พ.ศ. 2520 พร้อมทั้งขอความช่วยเหลือจากรัฐบาลญี่ปุ่นในการศึกษาความเหมาะสมของโครงการเพื่อขอใช้เงินกู้จากต่างประเทศ โดยขอกู้เงินจากญี่ปุ่น ในระหวาง พ.ศ. 2525 ถึงปี พ.ศ. 2530 รวมเป็นเงิน 7,000.5 ล้านเยน

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานนามเขื่อนว่า เขื่อนแม่กวงอุดมธารา เมื่อวันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2538

ในปี พ.ศ. 2558 กรมชลประทาน ได้เริ่มต้นดำเนินโครงการเพิ่มปริมาณน้ำในเขื่อนแม่กวงอุดมธารา โดยการก่อสร้างอุโมงค์ผันน้ำขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 เมตร ด้วยงบประมาณกว่า 15,000 ล้านบาท เพื่อผันน้ำจากลำน้ำแม่แตง และเขื่อนแม่งัดสมบูรณ์ชล มายังเขื่อนแม่กวงอุดมธารา[2]