Bereits in den Jahren 1925/26 wurden Planungen für eine Kraftwerkskette an der Enns erstellt, zu denen auch eine Staustufe bei Großraming gehörte. 1925 vergab die Oberösterreichische Wasserkraft und Elektrizitäts-AG (OWEAG) den Auftrag zur Projektierung an das Ingenieurbüro Schachermayer & Sing, und am 29. Juni 1926 erhielt die OWEAG für die Enns-Stufen "Uferer" und "Großraming" die wasserrechtliche Konzession. Die Projekte gelangten jedoch auf Grund der Wirtschaftskrise nicht zur Ausführung.
1929 fusionierten die Elektrizitätsgesellschaften Stern & Hafferl AG und die OWEAG zur Österreichischen Kraftwerke AG (ÖKA). Diese entwickelte ein Projekt für eine Kraftwerkskette an der Enns von Altenmarkt bis zur Donau mit fünf Buchten- und zwei Ausleitungskraftwerken. Mit dem Anschluss Österreichs an das Deutsche Reich 1938 bekamen die Kraftwerksprojekte an der Enns durch die Rüstungsvorhaben im Raum Linz, Wels, Steyr und St. Valentin wieder eine höhere Priorität. Die Erweiterung bestehender Werke und der Aufbau neuer Großbetriebe erforderte eine enorme Produktionssteigerung an elektrischer Energie.
Die "Reichswerke AG für Erzbergbau und Eisenhütten Hermann Göring Linz" und die Österreichische Kraftwerke AG (ÖKA) bewarben sich beide um den wasserwirtschaftlichen Ausbau der Enns. Am 20. Mai 1939 schlossen sie ein Abkommen zur Aufteilung der Wasserkraft-Nutzung, der Konflikt um den Bau von Kraftwerken an der Enns blieb jedoch bis zu einem am 24. Jänner 1940 unterzeichneten Vertrag bestehen. Man einigte sich schließlich darauf, dass die Reichswerke AG die Kraftwerke Ternberg, Rosenau und Garsten sowie die Kraftwerke unterhalb der ÖKA-Staustufen Staning und Mühlrading bis zur Mündung in die Donau errichten sollten.
Ein Problem für den Ausbau der Wasserkraft an der Enns stellte nach wie vor die intensiv betriebene Flößerei dar, dessen Lösung den Bau der Kraftwerke durch langwierige Verhandlungen verzögerte.
Das Kraftwerk Großraming war nach Staning und Mühlrading das dritte Enns-Projekt der Österreichischen Kraftwerke AG (ÖKA), die am 19. Mai 1941 in "Kraftwerke Oberdonau AG" (OKA) umbenannt wurde. Am 9. September 1942 begannen die Aufschließungsarbeiten und Bohrungen an der Wehrstelle, das geologische Gutachten wurde im September 1942 vom Geologen Josef Stiny in Wien erstellt.
Für Großraming verwendete man einen Teil der Baustelleneinrichtung des Kraftwerks Rosenau, dessen Bau im Frühjahr 1942 abgebrochen worden war. Die fertigen Turbinen- und Generatorkomponenten wurden wegen der Luftgefährdung im "Altreich" noch 1942 nach Großraming verlagert. Bald nach Beginn stellte man die Arbeiten wieder ein, da wesentliche Änderungen am Kraftwerksplan vorzunehmen waren. Grund hierfür waren die Kriegsereignisse, die eine Verschiffung von zwei in Deutschland für ein Kraftwerk in Rincon des Bonéte am Rio Negro in Uruquay produzierten Maschinensätzen verhinderte.
Bei der Firma J.M. Voith in Heidenheim lagerten zwei annähernd fertige Turbinen, bei den Siemens-Schuckertwerken in Berlin die dazugehörigen Generatoren. Da die Fallhöhe von 24 m in Großraming dem Gefälle von 32 m am Rio Negro am nächsten kam, entschied man die Maschinen in Großraming einzubauen und auf die Errichtung der zweiten geplanten Staustufe "Uferer" zu verzichten. Das Stauwehr wurde entsprechend den größeren Dimensionen der Maschinensätze von den Siemens-Schuckertwerken umgeplant und am 28. August 1942 eingereicht. Für die architektonische Gestaltung zeichnete Wilhelm Fricke aus Hannover verantwortlich. Die Bauarbeiten begannen am 15. Oktober 1942 an der linken Seite der Enns mit dem Bauabschnitt I. Am 21. Dezember des Jahres folgte die Erklärung zum bevorzugten Wasserbau durch den Reichsstatthalter für Oberdonau. Mit den Arbeiten zur Umschließung der Baugrube für den Bauabschnitt I startete man am 18. Jänner 1943. Vom 4. bis zum 7. Oktober 1943 fanden schließlich die wasserrechtlichen Verhandlungen statt. Im Jänner 1944 wurde eine am rechten Ufer situierte Kies-Aufbereitungsanlage in Betrieb genommen, eine zweistöckige Transportbrücke war ab Februar fertig gestellt, sodass am 20. März 1944 mit den Betonierarbeiten an den Wehrfundamenten im Bauabschnitt I begonnen werden konnte. Im Juli folgte die Inbetriebnahme der Haupt-Betonieranlage am linken Ennsufer.
Bis Mitte 1944 wurde der Bau mit einem Einsatz von 2.000 Mann vorwärts getrieben. Beim Kraftwerksbau setzte man ausländische Zivilarbeiter sowie Zwangsarbeiter aus dem Osten und Kriegsgefangene ein. Am 15. Mai 1942 wurden 300 Häftlinge vom Konzentrationslager Mauthausen in das KZ Großraming überstellt. Für die Bauarbeiter errichtete man Lager mit getrennten Bereichen für Zivilarbeiter, Zwangsarbeiter und Kriegsgefangene sowie das KZ-Lager. Ab 22. Juli 1944 zog man Arbeiter der Baustelle zum Kriegsdienst ein und am 28. August wurde der Bau mit behördlicher Verfügung des Reichsstatthalters von Oberdonau eingestellt, ausgenommen waren lediglich Maßnahmen zur Bestandssicherung. Zu diesem Zeitpunkt waren 20 Prozent des Bauvolumens erreicht. Erst am 8. Dezember 1944 wurde der Bescheid zur wasserrechtlichen Genehmigung des Kraftwerksbaus erlassen.
Am 8. Mai 1945 besetzten die amerikanischen und russischen Truppen die beiden Ennsufer und auch die Kraftwerksbaustelle. Die Truppen wurden in den ehemaligen Arbeiterunterkünften einquartiert. Ab 6. August begann man auf der Baustelle mit den Aufräumungsarbeiten. Nach Kriegsende wurde die Baustelle durch die Oberösterreichische Kraftwerke AG (OKA), welche die Nachfolge der Kraftwerke Oberdonau AG (KOA) angetreten hatte, weiter geführt. Die OKA schloss Verträge mit den Lieferfirmen in Ravensburg und Heidenheim ab, um die fehlenden Teile der maschinellen Einrichtung liefern zu lassen. Am 27. Februar 1946 wurde die Wasserhaltung im Bauabschnitt I wieder aufgenommen. Außerdem stellte in diesem Jahr die Strafanstalt Garsten Häftlinge für Arbeiten an der Kraftwerksbaustelle zur Verfügung, und so erreichte man an der Kraftwerksbaustelle den Arbeiterhöchststand mit 2.200 Mann.
Am 26. März 1947 wurden die Kraftwerke Großraming, Mühlrading und Staning in die kurz zuvor in der Folge des Zweiten Verstaatlichungsgesetzes gegründete Ennskraftwerke AG (EKW) eingegliedert, welche ab 1948 die Finanzierung der Gesamtbauten und schließlich auch den Betrieb der Kraftwerke übernahm. Die Arbeiten zur Umschließung der Baugrube für den zweiten, rechtsufrigen Bauabschnitt begannen am 23. Februar 1948. Im August 1948 erfolgte die Umstellung von Bauabschnitt I auf Bauabschnitt II und der Beginn der Betonierarbeiten an der rechten Ennsseite. Im Herbst des Jahres wurde die linke Wehrhälfte fertig gestellt und für den Durchfluss der Enns freigegeben.
Am 27. Oktober 1948 starteten die Arbeiten in der Baugrube II mit dem Aushub für Krafthaus und Wehr. Mit den Betonierarbeiten im Bauabschnitt II begann man am 27. April 1949. Parallel dazu erfolgte in Baubschnitt I ab 10. Mai die Montage der Turbine und am 3. August des Jahres war der Krafthaushochbau vollendet. Die Montage des Generators fand ab 15. Oktober statt. Das Wartengebäude wurde von Anfang September bis Dezember 1949 erbaut. Schließlich war die rechte Wehrhälfte am 17. Februar 1950 fertig gestellt, sodass man von 15. April bis 15. Mai den Aufstau durchführen konnte. Die Inbetriebnahme der Maschine II erfolgte am 26. Juni 1950, die Inbetriebnahme der Hausmaschine am 8. Dezember 1950, die Maschine I setzte man am 12. Juni 1951 in Betrieb. Am 4. Juli 1951 fand die feierliche Eröffnung des Kraftwerks Großraming statt, das zu diesem Zeitpunkt das größte und leistungsfähigste Niederdruck-Kraftwerk in Europa war.
Im Rahmen des Kraftwerksbaus wurden eine Anschlusslinie zur Reichsbahn hergestellt und Feldbahngleise verlegt. Zur Sicherung der Eisenbahnlinie war die Errichtung von Stützmauern und diverser Straßen- und Brückenbauten erforderlich. Für die im Rückstaugebiet liegenden Höhlenwohnungen wurden als Ersatz neue Wohnhäuser errichtet. Sechzehn von ihnen fasste man in der Siedlung Aschau am rechten Ufer bei Ennskilometer 62 zusammen. Als Ersatz für die Flößerei, die von Großraming abwärts eingestellt wurde, errichtete man bei Küpfern zwei Schrägaufzüge, die das Floßholz auf ein Zwischenlager hoben, von dem es zur Bahn transportiert wurde. Dieser "Holzaufzug Küpfern" war von 1945 bis 1964 in Betrieb. Die Wohnhäuser der Werkskolonie waren zu Jahresende 1950 fertig gestellt.
Ein 1984 errichteter Zubau zum Wartengebäude nahm die erweiterten Batterieanlagen, Fernwirk-Einrichtungen und Betriebsdatenerfassungs-Einrichtungen auf. Von der Warte Großraming wurden auch die Kraftwerke Schönau, Weyer und Losenstein gesteuert, seit dem Jahr 2000 befindet sich die Schaltzentrale in Steyr. In den Jahren 2001 bis 2003 wurden die beiden Maschinensätze zur Gänze erneuert.