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山东运河北端由河北省景县桑园镇西南进入山东省境内，沿途流经德州市的德城、武城、夏津，聊城市的临清、东昌府、阳谷，河南省的台前，泰安市的东平，济宁市的梁山、汶上、任城、市中、微山、鱼台，枣庄市的峄城、台儿庄等市、县、区，在枣庄市台儿庄区邳庄镇新赵村东南出境，进入江苏省邳州市境内。早在春秋战国时期，山东境内就有了人工开挖的运河。隋朝大运河贯通南北，其中永济渠从山东西北部边境流过，后来这条运道曾长期发挥作用。元代在山东境内先后挖掘济州河、会通河，此后流经山东西部的会通河、卫运河成为京杭大运河的重要河段。经过明代的改造、整修以后，会通河的河道流向基本定型，而且航运能力大大提高。自明初至清后期，山东运河作为南北交通的大动脉，在促进沿线区域社会经济发展方面发挥了重要作用。
元朝定都大都（今北京市），政治中心移至北方，而当时的经济中心却在东南。京城官兵民众甚多，粮食等生活物资均需南方补给，“百司庶府之繁，卫士编民之众，无不仰给于江南”
。因此，元政府急需建立起联结南北的可靠的粮食运输线。元世祖至元十九年（1282）十二月，政府下令开挖济州河，以济州任城（今山东济宁市）为中心，向南至鲁桥镇与泗水沟通。向北经南旺、袁家口至须城之安民山（今梁山县小安山）入济水（大清河），全长150余里。为解决运河水源问题，“于兖州立闸堰，约泗水西流，堽城立闸堰，分汶水入河道，会于济州”。
在兖州城东泗水上筑金口坝，拦截泗水使之西流；在堽城（今山东宁阳北埋城里村）筑坝拦截汶水，使其南流人洸河；洸河在兖州西与泗水汇合，流至任城西注入马场湖后南北分流，南流以增泗水之流量，北流至安民山人济水。济州河开通后，南来漕船可经此直接进入济水，而后从利津入海。这条运道只通行了三年，就因济水入海处发生沙壅难以出海，不得不“舍舟而陆”，改从东阿陆运至临清入御河北上。陆运中茌平一段，地势低洼，遇到夏秋雨季，道路积水，泥泞不堪，艰阻万状，所以继续开挖安山至临清一段运河势在必行。
至元二十六年（1289）正月，元世祖采纳寿张县尹韩仲辉、太史院令史边源的建议，征调民夫3万人，开挖会通河，“起东昌路须城县安山之西南，由寿张西北至东昌，又西北至于临清”
，接通御河，全长250余里。六月，河成，世祖赐名会通河。由于济州河与新开之会通河连为一体，故此二河通称会通河，济州河之名遂废而不用。会通河开通后，不仅使得南起馀杭（今杭州市）北至京城的大运河全线贯通，而且较之隋唐时期的京杭大运河，航程缩短上千里。但是元代运河的设计存在不少缺陷。首先，新开河段水量分配不合理，山东运河水源主要来自汶水和泗水，汶、泗之水自任城入运河后南北分流，“济宁地势，北高而南下，故水之往南也易，而往北也难，北运每虞其浅阻”。
其次，运河本身开挖规格偏低，“河道初并，岸狭水浅，不能重负”。
加上黄河决口，侵淤运河，所以通过运河运至大都的漕粮每年最多不过二三十万石，不及漕粮总量的十分之一。
明初建都南京，“四方贡赋，由江以达京师，道近而易”。
南粮北运的数量不大，运河的作用也不那么突出。但是为了向北扫除元朝残余势力，运输军需物资，明政府也曾对运河进行了局部的修治。大将军徐达在济宁以西20里开耐劳坡口，自曹、郓二州引黄河水入牛头河，东南流至鱼台的塌场口与泗水相连，于是舟船可由淮入泗，经牛头河达于山东，西出耐劳口则可由黄河达于河南。洪武二十四年（1391），黄河决于原武黑洋山（今河南原阳县南），漫曹州境流入安山湖，东流淤会通河道。南来货物只能从济宁卸船，陆运至德州，然后运抵北方。
永乐初年，政治中心北移，漕运形势也发生了根本变化。京师及北边粮饷，全部仰仗东南。因运河山东段淤塞，所以只能是河运、陆运“与海运相参”，“一仍由海，而一则浮淮入河，至阳武，陆挽百七十里抵卫辉，浮于卫，所谓陆海兼运者也”。
海运艰险，漕船亡失甚多，而河运又难以直达京城，其中陆运170里，需历8处递运所方能入卫河，每处递运所需征发民丁三千，车二百余辆，“岁久民困其役”。
永乐初年便有人提出重新修治会通河的建议，后来济宁同知潘叔正上书，力主修治会通河。他认为“会通河道四百五十里，其淤塞者三分之一，浚而通之，非惟山东之民免转输之劳，实国家无穷之利也”。
朝廷采纳了他的建议，遂派工部尚书宋礼、都督周长等前往勘察。宋、周二人经过实地考察，力陈疏浚会通河之便。
永乐九年（1411）二月，明政府征发山东济南、青州、兖州、东昌等府民夫15万，登州、莱州二府愿役民1.5万，南直隶徐州、应天、镇江等府民夫、军卒10余万，令宋礼总领其事，周长及刑部侍郎金纯等协助，并力开挖会通河。六月，工程告竣。开通后的会通河从济宁至临清，计三百八十五里，深一丈三尺，广三丈二尺，自济宁至临清，置闸十五，设闸官，立水则，以时启闭。新修会通河的河道线路较元代有所改变。元代运河自汶上县过袁口（今属梁山县），至安民山西南，经寿张（今梁山县寿张集）城东门，傍安山湖西，西北流至东昌。此水道接近黄河、济水，虽便于引黄河之水，但黄河一经泛滥，极易淤塞。明代新修之会通河自汶上县袁口改道，东徙约20里，傍安山湖东，经靳口、安山镇（今东平县大安山镇）、戴庙而达于张秋，新开河道约130里。安山湖可为新河之调蓄水柜，黄河向东决口后，有湖作为缓冲，亦不致淤塞运道。
明代山东运河河段大部分河道浅涩，故须经常挑浚；各河段地势高低悬殊，水流方向不同，须大量设置水闸以调控水量；各河段水源紧缺，须以沿河泉源湖塘补充调剂，所以当时运河工程的管理，主要集中在河道堤防、闸坝及水源管理三个方面。
明代政府多次下令，管河官员及地方政府“俱要及时修筑堤岸，疏浚河渠，以济粮运。如遇非常冲决，亦要多方设处，亟行修筑。临期误事者，军卫、有司官员悉听漕司、河道衙门及巡仓、巡河御史参提，照依运官参降事例，阻浅十日，该管有司、军卫罚俸半年”
。嘉靖三十八年（1559）规定，主管河道的大小官员，务必将该管河道及时修筑疏浚，以便利漕粮的运输。如果怠玩误事，则要比照运官的参降事例惩处。
万历元年（1573），户部下令地方掌印官和管河官将王家浅一带河道进行疏治。“如有司怠玩，许官旗具呈漕司照例查参降罚”。
此外，对运道的挑修、闸坝的启闭和泉源的管理，都做了严格的规定。
明代政府对山东段运河的疏通和治理总的来说取得了一定的成效，使得运道避开了黄河的侵害，较好解决了运道水源问题，因此终明一代，运河基本能够保持常年畅通。
清政府亦十分重视对运河山东段的修治。明朝末年，国力衰微，运河失修，加上长期战乱，至清初，黄河决溢危及运河的事情经常发生。顺治初年，黄河多次决口泛滥，水漫曹、单、金乡、鱼台等县，曾于南阳等地流入运河，“侵淤运河”，又曾“由汶上决入蜀山湖”。
顺治七年（1650），河决荆隆口，直趋沙湾，“张秋以下堤尽溃，自大清河东入海”。
康熙、乾隆年间，黄河也曾频繁决口，侵入运道。清代山东运河因黄河决口泛滥导致河道毁坏淤积而无法通航的现象已很少发生了，但是由于黄河漫流及鲁中山区的泗水、大沙河等河流挟带大量泥沙流入运河，使得运河河道淤浅的现象时有发生。所以，挑挖疏浚、定期修治成为清代治理山东运河的主要任务。清代沿袭明代制度，对运河的修治亦分为大修与小修，小修一般每年一次，称小挑或小浚；大修则隔年或几年一次，称为大挑或大浚。如顺治十年（1653），“令南旺、临清岁一小浚，间岁一大浚”。
一旦运道出现严重淤塞梗阻，政府还会组织临时性的大规模修治，以此保证河道的正常通航。
咸丰五年（1855）六月中旬，黄河水位猛涨，十七日大雨倾盆，兰阳一带一片汪洋，许多地方“堤水相平”，十八日，铜瓦厢附近河决三四丈，二十日全河溃决，流向西北，淹封丘、祥符（今开封），折转东北，淹及兰仪、考城、长垣等县村庄，于长垣县兰通集溜分两股：“一股由赵王河下注，经山东曹州府迤南穿过运河；一股由长垣县小清集行至东明县之雷家庄。在东明雷家庄又分为两股：一股由东明县南门外下注，水行七分，经山东曹州府迤北下注，与赵王河下注漫水汇流入张秋镇穿运；一股由东明县北门外下注，水行三分经茅草河，由山东濮州城及白阴阁集、逯家集、范县迤南折向东北，至张秋镇穿运。统计漫水分三股行走，均汇至张秋穿运，夺大清河至利津县注入渤海。”
这是黄河历史上的第六次，也是最后一次大改道。
改道后的黄河在张秋附近穿过运河，将运河斩为南、北两段，截断了汶水，使之不能注入张秋以北的运河河道，破坏了明清以来会通河的水源体系，极大地降低了会通河的通航能力。在最初的几年里，清政府始终没有放弃疏运保漕的努力。同治四年（1865），筹备修复会通河运道，在张秋以北的八里庙修筑堤坝。同治八年（1869），准备挑张秋运河淤段，值黄河在兰阳决口，大水再次倾注运河，冲坏河堤，张秋以北运河水源断绝。过了两年，黄河又在郓城侯家林决口，灌入会通河南段的南旺、南阳、昭阳诸水柜。南北往来的船只，只能从安山的三里堡进入盐河（大清河），绕行百余里，然后进入运河。进入民国以后，军阀割据，连年内战；再加上日本帝国主义发动大规模侵华战争，给中华民族带来深重的灾难。当此社会动荡年代，处于民族危亡之际，运河的疏通治理自然无从谈起。