De dienst Provinciale Waterstaat van Gelderland werd opgericht in 1864 en begon zijn werkzaamheden met ingang van 1 januari 1865. Daarmee is echter niet gezegd dat het provinciaal bestuur zich voor die tijd niet bezig had gehouden met waterstaatszaken. De Grondwet van 1814 kende reeds enige taken op dit gebied toe aan de provinciale overheden. Zo hielden de provincies het toezicht op de waterschappen, dijk- en polderbesturen en aanverwante colleges.

Deze taken werden in de loop van de 19e eeuw verder uitgebreid. In 1819 werden bepaalde rijkswerken ten laste van de provincie gebracht *  . In Gelderland waren dat de sluizen, stuwen, ophaalbruggen en vonders in en over de rivier de Berkel, de haven van Harderwijk en een hijskraan te Zutphen. In 1821 werd bovendien het beheer van de wegen van de 2e klasse aan Provinciale Staten (PS) overgedragen *  . In Gelderland waren dit de wegen Culemborg-Zaltbommel-Den Bosch, Wageningen-Nijmegen-Pruisen, Arnhem-Zevenaar-Pruisen, Dieren-Doesburg-Doetinchem-Bredevoort-Pruisen en Grave-Pruisen, in de richting van Kleef. Ten slotte kreeg het provinciaal bestuur volgens de Grondwet van 1848 het toezicht over alle waterstaatswerken binnen de provincie.

De organisatie voor de uitvoering van de werkzaamheden bleef vooralsnog een rijksaangelegenheid. In 1814 was er één nationale dienst voor de waterstaat ingesteld: Rijkswaterstaat. Met het overhevelen van taken van het rijk naar de provincie moest het provinciaal bestuur gebruik maken van de diensten van de ingenieurs van Rijkswaterstaat. Deze besteedden dus een deel van hun tijd aan werkzaamheden voor de provincie en werden daarvoor ook deels betaald door de provincie. De praktische invulling daarvan veranderde wel in de loop der jaren. De provincie kreeg bovendien vanaf 1821 de mogelijkheid om zelf personeel aan te stellen voor de uitvoering van de provinciale taken. In Gelderland kwamen er een provinciale opzichter en wat personeel voor het onderhoud van de straatweg Arnhem-Apeldoorn. Zij stonden echter wel onder leiding van de Rijkshoofdingenieur in dit gebied.

Deze situatie was voor het provinciaal bestuur onbevredigend. Toen de minister van Binnenlandse Zaken in het voorjaar van 1864 de mogelijkheid gaf om een eigen dienst voor de waterstaat op te richten, ondernamen PS al snel actie. In de zomerzitting besloten PS tot oprichting van een provinciale waterstaatsdienst en op 28 december 1864 bekrachtigde de minister deze stap *  . De hoofdingenieur van het vijfde district van Rijkswaterstaat droeg met ingang van 1 januari 1865 aan de provinciale ingenieur alle werken betreffende waterstaat, wegen, bruggen en gebouwen, waarvan de uitvoering of het onderhoud door de provinciale kas werd bekostigd. Dit waren de kleinere wateren, wegen, bruggen en sluizen. De zorg voor de dijken langs de grote rivieren kwam aan de waterschappen, onder toezicht van GS. Het oppertoezicht over deze waterstaatswerken bleef bij de Rijkshoofdingenieur. Daarnaast
hield hij de zorg over aanleg en beheer van grote kanalen en hoofdwegen, alsmede over bouw en beheer van daarvoor benodigde bruggen en sluizen en de zorg voor de grote rivieren.

De nieuwe dienst werd gevestigd in het Gouvernementsgebouw aan de Markt te Arnhem. Er waren aanvankelijk drie mensen in dienst, een provinciaal ingenieur en twee opzichters. Volgens zijn instructie *  moest de provinciaal ingenieur plans, bestekken en begrotingen voor provinciale werken beramen, ontwerpen en opmaken. Verder moest hij de nodige plaatselijke opnemingen, inspecties, waterpassingen en metingen verrichten en tekeningen en kaarten vervaardigen die bij de behandeling van zaken vereist zijn.

Daarnaast hield hij toezicht over de provinciale werken en droeg maatregelen betreffende deze werken voor aan GS. In 1878 *  werd hieraan onder meer toegevoegd dat hij PS, GS en de Commissaris der Koningin moest dienen van bericht en raad. Hierdoor had PW bemoeienis met alle taken op waterstaatsgebied die aan het provinciaal bestuur waren opgedragen. In deze adviserende, leidinggevende en toezichthoudende functie vormde de dienst een schakel tussen het provinciebestuur en de besturen van waterschappen, polderdistricten en gemeenten.

Met ingang van 1 januari 1882 werd PW uitgebreid *  . Er werden een adjunct-ingenieur aangesteld en een klerk bij voor bureau-, schrijf- en tekenwerk. De uitbreiding van de dienst was nodig vanwege de groei van de werkzaamheden, voortkomend uit de herziening van de instructie van de ingenieur en uit de grotere behoefte aan verbetering van de waterlossing en de ontwikkeling van communicatiemiddelen. Met name de oprichting van de grote waterschappen, noodzakelijk vanwege de voortdurende wateroverlast, vergde veel voorbereiding. Bovendien kwam het bouwen langs de dijken volgens het Rivierpolderreglement vanaf 1 januari 1882 geheel onder toezicht van PW *  . In 1884 werd de ingenieur hoofdingenieur, de adjunctingenieur werd ingenieur.

De volgende wezenlijke uitbreiding van de dienst deed zich voor in 1913. Er kwamen nu onder de hoofdingenieur een ingenieur, tenminste twee opzichters, een bureau-ambtenaar en een schrijver- tekenaar *  . De werkzaamheden van PW waren sterk in omvang toegenomen, zoals onder meer blijkt uit de stijging van het aantal door GS verstrekte opdrachten om advies en de toename van het aantal rapporten *  . Oorzaak waren de bevolkingsgroei (vergunningen voor het bouwen aan dijken), de verhoogde werkzaamheid op landbouwgebied inzake het in cultuur brengen van gronden, de grotere behoefte aan goede verkeersmiddelen, en nieuwe wetten zoals de Motor- en Rijwielwet, waarvan de uitvoering deels aan PS was opgedragen *  .

In de jaren daarna bleef de dienst groeien. In 1918 werden vier wegwerkers aangesteld *  en in 1920 waren er al 15 mensen in dienst *  , in 1946 30 en in 1951 63. De titel van hoofdingenieur werd in 1946 gewijzigd in hoofdingenieur-directeur, terwijl de ingenieurs 1e en 2e klasse in het vervolg (hoofd)ingenieur genoemd werden.

Er moest op waterstaatsgebied veel hersteld worden na de oorlog: dijken waren opgeblazen, gebieden waren geïnundeerd en veel wegen en bruggen waren onbruikbaar. PW werkte hard aan het herstel, in samenwerking met de dijk-, polder- en gemeentebesturen. Veel adviezen gingen naar GS, maar ook naar waterschappen en gemeenten. Er was veel overleg met diverse rijksinstanties. Daarnaast moest men conferenties, commissievergaderingen en intergewestelijk overleg bijwonen als vertegenwoordiger van het provinciaal bestuur.