เริ่มต้นจากการศึกษาความเหมาะสมโครงการพัฒนาลุ่มน้ำป่าสักตอนบน ภายใต้ความร่วมมือระหว่างรัฐบาลไทยและรัฐบาลญี่ปุ่น (JICA) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2513 และแล้วเสร็จในปี พ.ศ. 2524

ต่อมาในปี พ.ศ. 2544 ประชาชนในพื้นที่ได้ขอพระราชทานความช่วยเหลือในการก่อสร้างอ่างเก็บน้ำเพื่อแก้ไขปัญหาการขาดแคลนน้ำสำหรับการเกษตรและการดำรงชีพ กรมชลประทานจึงได้ดำเนินการศึกษาข้อมูลเบื้องต้นและวางแผนพัฒนาโครงการ

ในปี พ.ศ. 2564 โครงการอ่างเก็บน้ำห้วยสะดวงใหญ่ อันเนื่องมาจากพระราชดำริ ได้รับการบรรจุเป็นหนึ่งในโครงการอันเนื่องมาจากพระราชดำริที่อยู่ภายใต้การติดตามและขับเคลื่อนของภาครัฐ ส่งผลให้กรมชลประทานดำเนินการศึกษาความเหมาะสมและจัดทำรายงานการประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อม เพื่อพัฒนาแหล่งน้ำต้นทุนสำหรับการอุปโภคบริโภค การชลประทาน และการพัฒนาการเกษตรในระยะยาว อันเป็นการสนองพระบรมราโชบายด้านการบริหารจัดการทรัพยากรน้ำอย่างยั่งยืน

มีที่มาจากความต้องการของประชาชนในตำบลบ้านโตกที่ประสบปัญหาขาดแคลนน้ำสำหรับการเกษตรและการอุปโภคบริโภค จึงได้ร้องขอให้ภาครัฐดำเนินการพัฒนาแหล่งเก็บกักน้ำในพื้นที่ กรมชลประทานได้ศึกษาความเหมาะสมเบื้องต้นในปี พ.ศ. 2561 และพบศักยภาพในการพัฒนาอ่างเก็บน้ำ 2 แห่ง ได้แก่ อ่างเก็บน้ำห้วยน้ำจางและอ่างเก็บน้ำห้วยน้ำโตก เพื่อเป็นแหล่งน้ำต้นทุนสำหรับการเกษตรและการพัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชน

เนื่องจากพื้นที่โครงการบางส่วนอยู่ในเขตชั้นคุณภาพลุ่มน้ำชั้นที่ 1 และพื้นที่ป่าสงวนแห่งชาติ จึงเข้าข่ายต้องจัดทำรายงานการประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อม (EIA) และดำเนินการตามมติคณะรัฐมนตรีและกฎหมายที่เกี่ยวข้อง ก่อนดำเนินการพัฒนาโครงการต่อไป