元 朝开凿济州河的初衷，应该也跟元、宋之间的战争有关。《元史》卷一六四《郭守敬传》记载：“至元十二年，丞相伯颜南征，议立水站，命守敬行视河北、山东可 通舟者，为图奏之。”大概因为伯颜很快在第二年即至元十三年（1276）就进驻了临安，消灭了南宋，所以这项计划暂时停顿了下来。直到至元十八年 （1281）十二月才重新启动，“差奥鲁赤、刘都水及精算数者一人，给宣差印，往济州定开河夫役”。十九年十二月正式动工，并于二十八年八月完工。

济州河北引汶水、东引泗水为水源，两水通过洸河和府河会流于济州城西，然后分流南北，南入泗水，北汇大清河（今黄河），全长一百五十里，即今山东运河南起 鲁桥、北至安山一段之前身，惟袁口以北故道在今道之西。由于运河一线落差较大，原计划修建14座石闸，第二年经马之贞勘查口改建8座石闸、2座石檐。

济州河开通以后，南来漕船遂可自淮溯泗，经济州河而至东阿，然后循大清河（古济水，大致相当于今山东境内黄河）至利津入海，再由海路趋 直沽（今天津），达京师。由于海路险恶，又由于海水的潮汐作用，大清河口常有沙壅，航运不畅，后又改在东阿起岸，陆运二百里至临清，入于御河，以达京 师。