Далее в связи с подъемом местности возведен гидроузел № 2, представляющий собой первую ступень подъема канала. Он состоит из однокамерного шлюза и насосной станции общепринятых для канала типов. Здесь суда, идущие с Волги, поднимаются на 6 м; на эту же высоту поднимается насосами перекачиваемая вода.
От гидроузла № 2 до следующей ступени подъема — гидроузла № 3 идет участок канала длиной свыше 43 км, который получил название длинного бьефа. Весь участок представляет собой отрезок судоходно-водоводного канала с отдельно размещенными на нем сооружениями. На этом участке размещены: заградительные ворота №103, предназначенные для разделения бьефа между гидроузлами № 2 и 3 на случай ремонта; четыре дюкера и труба для пропуска под каналом сточных вод с прилегающей к каналу территории; донный водосброс для опорожнения участка канала между гидроузлом № 3 и заградительными воротами № 103 при поднятии последних; две переправы.
На северном склоне Клинско-Дмитровской гряды расположен Яхромский узел сооружений, состоящий из двух ступеней — гидроузлов № 3 и 4. В него входят два однокамерных шлюза и расположенные рядом с ним насосные станции. Расстояние между гидроузлами около 4,0 км. На этом участке канала находятся два водосброса (один для сброса воды Яхромского водохранилища в канал, другой для сброса воды из канала в р. Яхрому).
Начиная от гидроузла № 4, канал пересекает водораздел между реками Яхромой и Икшей и проходит в глубоких выемках. Длина этого участка свыше 7 км. Икшинский двуступенчатый узел (гидроузлы № 5 и 6) является последним на пути канала к водораздельному бьефу. В состав узла входят: два однокамерных шлюза, две насосные станции при каждом шлюзе, земляная плотина на р. Икше, образующая Икшинское водохранилище. Расстояние между гидроузлами 2 км.
От гидроузла № 6 начинается водораздельный участок канала, огражденный земляными плотинами: Икшинской - с севера, Химкинской - с юга, Пестовской, Пяловской, Акуловской и Пироговской - с востока. Таким образом, созданная цепь водохранилищ, объединяемая соединительными каналами, создает единое водохранилище водораздельного бьефа площадью 60,8 км2 и объемом 348,7 млн. м.куб, по которому осуществляется судоходство. Из этого водохранилища происходит отбор воды на водоснабжение, обводнение и судоходство.
Акуловская, Пестовская и Пяловская плотины создают Учинское водохранилище, предназначенное только для водоснабжения столицы. В этой части водохранилища происходит первая обработка воды: волжская вода отстаивается в течение определенного времени, освобождается от содержащихся в ней органических и минеральных веществ и по специальному водопроводному каналу подается на водопроводную станцию.
На левом берегу Химкинского водохранилища построен Северный речной порт, предназначенный для переработки некоторой части грузооборота. Рядом с портом расположен Северный речной вокзал, к которому примыкает большой парк.
Последним участком судоходно-водоводной части канала, замыкающим водораздельный бьеф канала и обеспечивающим судоходное сообщение с р. Москвой, является Тушинский узел сооружений. Протяжение этого участка канала около 4 км. Основными сооружениями узла являются шлюзы № 7 и 8 с подходными каналами, тоннель при пересечении канала с Волоколамским шоссе, труба для пропуска под каналом р. Химки и труба для отвода под каналом р. Чернушки. Шлюзы № 7 и 8 двухкамерные, что позволяет преодолевать на сравнительно коротком участке перепад в 36 м. Общая протяженность канала от Волги до впадения в р. Москву 128 км.
Верхний подход к шлюзу № 8 отличается большой сложностью из-за происходящего здесь под дном канала тоннеля Волоколамского шоссе и трубы для отвода р. Чернушки. Участок канала между шлюзами № 7 и 8 проходит в высоких дамбах.
Для использования перепада при сбросе обводнительного расхода из водораздельного бьефа канала в р. Москву и для возвращения в результате этого части энергии, затраченной на накачку воды из Волги, на южном склоне трассы возведена Сходненская ГЭС. Вода к ней подается по специальному открытому каналу, берущему начало у шлюза № 7.
Для обеспечения прохода судов с Волги в Западный и Южный порты на р. Москве в пределах города были построены Карамышевский и Перервинский гидроузлы. Их строительство позволило также благоустроить русло реки, примыкающие к нему территории и набережные. Карамышевский гидроузел состоит из бетонной пятипролетной плотины, однокамерного шлюза № 9 и гидростанции. Эти сооружения поднимают воду в р. Москве на 6 м. Гидростанция рассчитана на среднесуточный обводнительный расход около 40 мЗ/с, слагающийся из собственного минимального расхода реки в 5 мЗ/с и обводнительного расхода в 30 мЗ/с, поступающего из Волги через канал.
В районе Серебряного бора р. Москва делает большую излучину, общая длина которой достигает 6,5 км. Для создания более удобных судоходных условий произведено спрямление этой излучины. Поперечное сечение спрямляющего канала выполнено аналогично сечению судоходного канала.
Перервинский гидроузел расположен на р. Москве, в юго-восточной части города, где ранее существовал низконапорный судоходный гидроузел — разборчатая плотина и шлюз, которые не обеспечивали нужные глубины в пределах города, поэтому на р. Москве еще существовала подобная Бабьегородская плотина и при ней шлюз. В состав гидроузла входят бетонная семипролетная плотина, однокамерный шлюз № 10, малый шлюз и гидростанция. В конструктивном отношении шлюз № 10 отличается от типового шлюза тем, что у него камера не докового типа, а с раздельными стенками. Этот узел сооружений поднял уровень р. Москвы на 6 м.
Основными сооружениями канала имени Москвы, как и всякого крупного гидротехнического комплекса, являются плотины. Всего на канале построено 10 плотин, из них семь земляных и три бетонных.
Иваньковская земляная плотина, построенная на Волге и образующая основное водохранилище Волжского каскада, вместе с бетонной плотиной предназначена для регулирования стока Волги и обеспечения канала водой. Шесть остальных земляных плотин, расположенных в южной части канала, создают единое водораздельное водохранилище.
По характеру работы и конструкции земляные плотины канала подразделяются на два типа: одностороннего напора, т.е. поддерживающие напор с одной стороны, и двустороннего напора, рассчитанные на напор воды попеременно с каждой стороны. Ко второму типу относятся Пестовская и Пяловская плотины, все остальные являются плотинами первого типа.
На всех земляных плотинах канала устроены специальные водоспуски, предназначенные для производства во время эксплуатации нужных попусков воды в нижние бьефы или для полного опорожнения водохранилищ, а также пропуска строительных расходов. На Пироговской плотине эту роль выполняют донные отверстия водосброса. На Пестовской и Пяловской плотинах водоспуски позволяют производить перепуск волжской воды из Пестовского и Пяловского водохранилищ в Учинское.
Для сбросов излишков весеннего паводка на Акуловской, Пестовской и Пироговской плотинах построены водосбросы. Для приема в канал и выпуска из него стока р. Яхромы на участке между шлюзами № 3 и 4 построены два самостоятельных водосброса. Водоспуски и водосбросы представляют собой массивные бетонные сооружения различной конструкции.
На канале построено три бетонные плотины: одна на Волге рядом с земляной плотиной и две — Карамышевская и Перервинская на р. Москве. Ныне две последние плотины находятся в черте города.
Иваньковская бетонная плотина на Волге имеет восемь пролетов, из них четыре с поверхностным водосливом и четыре (двухъярусные) с поверхностным водосливом и донными водоспускными отверстиями. Длина плотины 216 м. С правой стороны плотина сопрягается с глухой земляной плотиной, перегораживающей старое русло реки, а с левой — с так называемой северной шпорой, переходящей в левобережную дамбу длиной 8,2 км.
Назначение москворецких бетонных плотин — Карамышевской и Перервинской — поддерживать в течение круглого года необходимый постоянный уровень воды в р. Москве. Перервинская тина имеет семь пролетов длиной по 20 м, Карамышевская — пять длиной также по 20м.
На канале построено 11 шлюзов: один на Волге, пять на северном склоне канала, два на южном склоне и три на р. Москва. По размерам и по объему выполненных работ шлюзы относятся к крупнейшим сооружениям канала.
Габариты камер шлюзов: полезная длина 290 м, полезная ширина 30 м, глубина на пороге 5,5 м. Шлюз № 11 имеет габариты 50x15 м. Преобладающий напор на шлюзах канала составил около 9,0 м. Благодаря почти одинаковым напорам на камеры у большинства шлюзов канала, их одинаковым габаритным размерам и наличию у всех шлюзов в основании мягких грунтов оказалось возможным выработать типовую систему питания шлюзов и типовые конструкции их основных частей: голов, камер, пал, причально-ограждающих устройств, затворов, механизмов и систем управления.
Для безопасного и удобного пропуска судов радиус закругления в местах подхода к шлюзам был принят равным 1000 м (пять длин расчетного судна), а длина прямых участков самих подходов — 300 м. Для осуществления прямолинейных входа в шлюз и выхода из него судов все подходы к шлюзам устроены несимметричными.
Для обеспечения забора воды насосными станциями без засасывания судов в подводящие каналы через последние устроены ограждающие эстакады, которые имеют вертикальные передние стенки и служат одновременно причальными линиями. Для предотвращения посадки судна на берег в местах подхода его к шлюзам напротив отводящих каналов насосных станций сделано отбойное устройство в виде обделки специальным креплением соответствующего участка берега судоходного канала с откосом 1:1,75.