Основанием для начала проектирования ГРЭС было распоряжение Совета Министров СССР «О строительстве Заинской Государственной электрической станции в районе с. Заинск» от 17 мая 1955 года. В выборе места для строительства будущей электростанции географическое положение Заинска сыграло немаловажную роль, ведь станция должна была решать задачи по устойчивой электрической связи Европейской энергосистемы с системами Урала и Сибири. Проектирование станции было поручено Киевскому отделению Государственного проектного института «Теплоэлектропроект». В 1955 году группа инженеров прибыла в Заинский район, выбрала место для строительства и отвела территорию в размере 2450 га. На территории будущего водохранилища начали вырубку лесного массива.
По первоначальному проекту ГРЭС должна была работать на каменном угле, мощность её определялась в 600 МВт. Однако, проект пересмотрели в пользу мазута и природного газа, и в 1959 году была определена окончательная мощность — 1200 МВт. В Заинск стали прибывать различные субподрядные организации. В июне 1961 года была установлена первая труба. По завершению строительства гидроузла началось заполнение пруда-охладителя — Заинского водохранилища. В июне 1966 года одновременно со строительством первой очереди началась установка ещё шести энергоблоков по 200 МВт каждый. Когда электростанция достигла полной проектной мощности в 2,4 ГВт, Государственная комиссия приняла весь комплекс Заинской ГРЭС в промышленную эксплуатацию. Это произошло 13 февраля 1976 года. По титулу Заинской ГРЭС был возведён рабочий поселок Новый Зай (ныне город Заинск).
