Kırkçeşme tesisleri o döneme kadar inşa edilen tesislerin en mükemmeli olduğu gibi mühendislik bakımından Mimar Sinan`ın en önemli yapısı ve hacim yönünden de en büyük eseridir. Öyle ki,Süleymaniye Külliyesi 35 milyon akçeye, Kırkçeşme tesisleri 50 milyon akçeye mal olmuştur.
Kanû nî bir gün av maksadıyla Kâğıthane civarında gezinirken eski bir suyolundan sızan suları görerek o civardan İstanbul`a su getirmenin mümkün olup olmadığını araştırmaya başlar. İstanbul`a eskiden suyun ne şekilde getirildiğini tesbit için komisyonlar kurup bilgiler alır ve bu suların toplanarak şehre getirilmesinin mümkün olup olmadığını incelemek üzere de Mimar Sinan`ı görevlendirir. Mimar Sinan, Belgrad ormanından gelen suları ve dereleri inceler, bunların İstanbul`a getirilmesinin mümkün olduğunu padişaha arzeder. Bunun üzerine padişah suyollarının yapımını emreder. Ancak devrin sadrazamı Rüstem Paşa ile diğer bazı kişiler bu suların İstanbul`a getirilmesine muhalefet eder hatta Rüstem Paşa, Sinan`ın yanında çalışan Kiriz (Gürz) Nikola adındaki bir su uzmanını hapsettirir. Rüstem Paşa, şehre bol su getirilirse devletin çeşitli yerlerinden insanların İstanbul`a geleceğini, şehrin nüfusunun artacağını, iâşesinin zorlaşacağını ileri sürerek suyun getirilmesinin doğru olmayacağını söylerse de Kanû nî Sultan Süleyman suların kendi vakfı olarak getirilmesi ve inşaata devam edilmesi emrini verir. İnşaata başlanınca bu defa Sinan`ın bu işi beceremeyeceğini, paraların boşa gideceğini, yeteri kadar suyun bulunmadığını, suyun İstanbul`a gelmesinin mümkün olmadığını iddia edenler padişahı kararından vazgeçirmeye çalışırlar. Kanû nî söylenenleri bizzat tahkik ederek bunların yanlış olduğunu tesbit eder ve inşaatın sürdürülmesini tekrar emreder. Sonuçta 1554 yılında yapımına başlanan Kırkçeşme tesisleri 1563`ten önce bitirilir. 20 Eylül 1563`teki sel felâketinden yıkılan kemerler onarılarak 1564 yılında tesis tekrar hizmete girer.

Kırkçeşme sularının şehre gelişi yani isâle hattı esas itibariyle iki koldan teşekkül eder. Bunlardan suyu en bol olanı Kâğıthane deresinin kollarından Kirazlı, Topuz ve Paşa derelerinden su alan doğu kolu, diğeri yine Kâğıthane deresinin biraz daha memba tarafında bulunan Ayvat deresi, Orta dere ve Bakraçderesinden su alan batı koludur. Bu iki koldan gelen sular Kemerburgaz`ın güneybatısındaki başhavuzda birleşir ve ana isâle galerisine girerek Moğlova Kemeri yardımıyla Alibey deresini geçtikten sonra Cebeciköy deresinden gelen bir kolu da alıp güneye doğru devam eder. Balıklıhavuzun alt tarafında batıdan gelen bir koldan da su alır. Bu kol battaldır ve halen hiçsu gelmemektedir. İsâle hattı, baştan itibaren çok sayıda büyük ve küçük kemer ve delmelerden geçerek Eğrikapı Maksemi`ne ulaşır. İsâle hattının üzeri hiçbir yerde açık olmayıp su daima üstü kapalı kanal veya galerilerden geçer. Kemerlerde de kanalın üstü çatı şeklinde sal taşlarıyla kapatılmıştır. Kırkçeşme isâle galerilerinin boyutları yer yer çok az farkla değişmektedir. Hepsinin aynı elden çıktığı, zemin cinsine göre büyük veya küçük yapıldığı, belki de bir bölümünün eski suyolu olduğu kabul edilebilir.

Mimar Sinan`ın Kırkçeşme isâle hattında yaptığı galeriler, normal inşa debisinin çok üzerindeki debileri de geçebilecek kapasitede inşa edilmiştir. Sonradan bulunan membalar, teker teker veya birçok memba bir isâle kolu ile ana galeriye bağlanarak isâlenin debisi ve dolayısıyla isâle hattının toplam uzunluğu zamanla artmıştır. Bu şekilde sonradan bağlanan sulara 'katma' adı verilir. Kırkçeşme tesislerinin isâle hatlarının surlar dışında kalan bölümü 425 yıldan beri sürekli çalışmaktadır ve yapılan onarımlar sayesinde halen oldukça iyi durumdadır. Çeşitli yıllarda yapılan tâdilât ve tamirlerle bazı yerlerinin orijinal şekli bozulmuştur. Tesis 1564`te nihaî olarak çalışmaya başladıktan sonra ana galeriyle bağlanan katmalar dolayısıyla tesisin debisi çok artmış, fakat zamanla 570`ten fazla katmadan ancak birkaçtanesi çalışır durumda kalmış, diğerleri harap olmuş, çoğunun izi dahi kalmamıştır.
Fâtih Sultan Mehmed`in yaptırdığı su yolları hakkındaki bilgi verdiği bölümde eskiden inşa edilmiş su kemerlerinin hepsinin yıkılmış olduğu, bunların Fâtih tarafından yeniden yaptırıldığı, isâleye yeni membaların katıldığı anlatılmakta ve sonunda, 'Bir büyük kemerin altında Kırkçeşme etti' diye yazılmakta, bu ifadeden Bozdoğan Kemeri`nin kuzeyinde bulunan ve Kırkçeşme adıyla anılan sıra çeşmeleri de Fâtih`in inşa ettirdiği anlaşılmaktadır.

Kırkçeşme tesisleri içerisinde iki veya üçkatlı, çok gözlü beş âbidevî kemer vardır. Bunların içinde gerek mühendislik gerekse mimarlık bakımından en önemlisi Moğlova Kemeri`dir.
İkinci olarak görülen Uzunkemer, Kırkçeşme tesislerinin batı kolu üzerinde bulunan 711 m. uzunluğunda ve iki katlı şekliyle tesisin en büyük yapısıdır. Ü st katta elli, alt katta kırk yedi kemer vardır. Kemerler suyun giriş yönünden itibaren birden başlamak üzere elliye kadar numaralanmıştır. Kemer planda kırık hatlar şeklindedir. En önemli yön değiştirme yirmi üçyirmi dördüncü kemerler arasında bulunur. Su galerisi kemerin en üstünden geçer. Gözlücekemer (Cebeciköy Kemeri), Kovukkemer de âbidevî kemerlerdendir ve bu kemerin bir bölümünün Roma devrinden kalmış olması ihtimali büyüktür.

Kırkçeşme tesisleri arasında menşe belirlenmesinde güçlük çekilen Kemer yalnız Kovukkemer`dir. Kırkçeşme tesisinin diğer bütün bölümlerinin Osmanlı yapısı olmasına karşılık Kovukkemer`in tamamen Osmanlı eseri olduğunu iddia etmek güçtür. En alt katın bir bölümü ile orta katın çok küçük bir kısmı GeçRoma devrinden kalmıştır. İki katlı kemerlerden sonuncusu olan Paşa Kemeri`nin daha sonra inşa edildiği ve Mimar Sinan ile ilişkisi olmadığı söylenirse de Sinan tarafından 1563-64 yılında yapıldığı bulunan arşiv belgelerine göre kesindir.
Şehir şebekesinin tamamlanmasından sonra günümüze kadar geçen zaman içinde bu sistemlerin çoğu ortadan kalkmış olmakla beraber ana dağıtım kubbeleri ve şebeke arasındaki ilişki anlaşılabilmektedir. Bunların en önemlisi Edirnekapı Maksemi`dir. Eyüp`teki yerlere su vermek için sonradan Eyüp Kubbesi de yapılmıştır. Eğrikapı Kubbesi`ne gelen ana galerinin bir kolu Tezgâhçılar Kubbesi`ne, diğeri Sulukule Kubbesi üzerinden Haseki ve Yedikule`ye gider. Tezgâhçılar Kubbesi`nden galeri yine iki kola ayrılır biri Tahtakale`ye, diğeri Gedikpaşa, Sultanahmet`ten Ayasofya Kubbesi`ne ulaşır. Ana galeriden ve sondaki kubbelerden künklerle şehre su dağıtılır. Bu arada küçük taksim yerleri, su kuleleri ve kuyularla 580 çeşmeye su verilir. Mimar Sinan devrinde Kırkçeşme`den beslenen çeşmelerin sayısı 300 kadardır.

Bozdoğan Kemeri`nin Haliçtarafında ve Gazanfer Ağa Medresesi`nin karşısında buradaki su haznesinin az ötesinde bulunan kitâbesiz Kırkçeşme adı verilen çeşme binası, Atatürk Bulvarı açılırken yeniden daha geride yapılmak üzere taşları numaralanarak sökülmüş, fakat bir daha ihya edilmemiştir. Bazı yazarların bu çeşmenin Bizans devrine ait olduğunu sanmalarına yol açan, üzerinde çifte tavuskuşu kabartması olan mermer Bizans levhası ise müzeye kaldırılmıştır.
Su toplama sistemleri, çökeltme havuzları, altı tanesi çok büyük olan 33 adet su kemeri, maksemleri , su terazileri, 46 km. uzunluğundaki galeri ve künk borulardan oluşan ana isale hattı, kilometrelerce uzunluğundaki şehir şebeke sistemi, çok sayıda çeşmesi ve isale hattı boyunca suyun şehre kadar getirilebilmesi için başarı ile uygulanan 1/1000 seviyesindeki hassas eğimi ile devrinin en büyük ve en mükemmel su tesisidir.
ızgara ile alınan sular çökeltme havuzunda çöktürülerek kaba pisliklerinden arındırıldıktan sonra Arpacı Kemeri, Aziz Paşa Kemeri, Deliklikaya Kemeri, Viran Kemer ve Kumrulu Kemer den geçerek Sarı Süleyman Kemeri öncesi Başhavuz da birleşerek tek kol haline gelen diğer iki kolun suyu ile birleşir. Diğer iki kol ise Kağıthane Deresinin küçük derecikleri üzerinden toplanan sular ile beslenir. Bu kollardan biri BakraçDeresi, Orta Dere ve Ayvad deresinden ızgara ile alınan sulardan oluşur ve çökeltme havuzlarında çöktürüldükten sonra birleşerek Kurt Kemeri ve Uzun Kemeri geçip Başhavuza gelir.Ü çüncü kol ise Paşa Deresi ızgarasından alınan sulardan oluşur ve Paşa Kemeri, Yosunlu Kemer, Kara Kemer ve Kırık Kemer üzerinden geçip Başhavuzda toplanır. Başhavuzda birleşen bu iki ana kol daha sonra Moğlova Kemeri ve Güzelce Kemer den geçip Sarı Süleyman Kemeri öncesinde diğer kol ile birleşir ve buradan itibaren Ağlıdere Kemeri, Uzunkoltuk Kemeri, Çifte Kemer, Balıklı Kemer, Deli Kemer, Keçe Kemeri, Kuyu Keçelik Kemeri ve Sinekli Kemerden geçip Rami Kışlası yakınındaki su kubbesinde toplanır ve buradan da Eğrikapı daki makseme gelen sular bu maksemden şehir içine dağıtılırdı.