בתקופת בית שני הייתה ירושלים מרכז שלטוני ודתי, והתפתחה במהירות, בהתאם לטכנולוגיה הרומית. רמת החיים בעיר עלתה מאוד, ותושביה נזקקו למים רבים לשתייה, לרחצה, לטהרה, ועוד. תפעול בית המקדש דרש אף הוא כמות רבה של מים לניקיון ולפולחן. מעיין הגיחון, שהיה עד אז מקור המים המרכזי של העיר, לא הספיק עוד, ומצוקת המים בירושלים הייתה קשה. הדבר בא לידי ביטוי בעיקר במועדי העלייה לרגל בשלוש הרגלים - פסח, שבועות וסוכות - שבהם פקדו את ירושלים מאות אלפי מבקרים, שנצרכו לכמות מים גדולה.
מושלי העיר ופרנסיה דאגו לאיסוף מים בבורות מים, וברשימת נושאי התפקידים בבית המקדש מוזכר "נחוניה חופר שיחים". הצורך הגדול במים בימי הרגלים, בא לידי ביטוי במקורות חז"ל:
זרימת המים במערכות מים אלו התבססה על כוח הכבידה, והן ניצלו את התוואי הטופוגרפי כדי לאפשר זרימה ללא הפרעה מנקודת המוצא ועד לערים. הידע לבניית מערכות המים נרכש מחציבת מנהרות לכריית נחושת ומתכות אחרות, והגיע לשיאו בתקופה הרומית. הרומאים היו הראשונים שהשתמשו בשפע של מים כחלק מתרבות הפנאי שלהם, כולל בבתי מרחץ, בלטרינות, במזרקות, וכדומה. מפעלי מים אלו התאפשרו גם הודות לשכלולים טכנולוגיים נוספים, כמו המצאת הבטון, ובניית קשתות וקמרונים לחיזוק אמות המים. טכנולוגיית הבנייה הרומית נפוצה במרחב ארץ ישראל, ובימי שלטון החשמונאים השתמשו בה במבנים ובמפעלי מים שונים, שהבולט בהם הוא אמת המים לירושלים.
תיארוך.
האמה התחתונה מתוארכת לתקופת החשמונאים, ששלטו בארץ ישראל בין השנים 167–63 לפנה"ס. לאורך האמה כולה לא נמצאה כתובת המעידה על בוניה, ולכן אין כל אימות אפיגרפי המאפשר את תיארוך האמה באופן ודאי. עם זאת, ישנם כמה נתונים המאששים את התיארוך לתקופה החשמונאית, ואף מאפשרים לייחס את בניית האמה לאחד ממלכי השושלת:
מאחר שלא התגלתה, כאמור, כל כתובת המעידה על יוזמי האמה ובוניה, ניתן לייחס את בנייתה לאחד משלושת המלכים החשמונאים הבאים:
בעבר היו הדעות לגבי תיארוך הקמת האמה התחתונה מגוונות יותר. קונרד שיק, משה הקר, רות עמירן ועוד חוקרים ייחסו את הקמת האמה להורדוס. קלוד קונדר והוריישו קיצ'נר ומיכאל אבי יונה ייחסו את הקמת האמה התחתונה לתקופתו של פונטיוס פילאטוס, שיוסף בן מתתיהו מעיד עליו שהקים מפעל מים לירושלים. אחרים ייחסו את הקמת האמה עוד לימי בית ראשון. לאחר שבשנות ה-70 נמצאו מקומות בהם האמה חותכת קברים מימי בית שני, נפסלו התיארוכים המוקדמים
מקור המים.
מקור המים של האמה התחתונה היה עין עיטם, מעיין השופע במרחק של כעשרה קילומטרים דרומית לירושלים, ליד הכפר ארטאס. גובה המעיין הוא 765 מטרים מעל פני הים, בעוד שגובה פני הר הבית, "התחנה הסופית" של האמה, הוא 735 מטרים. מי עין עיטם נוקזו בתעלה פתוחה קצרה אל בריכת אגירה, שנבנתה על גבי מעיין נוסף וניקזה מי מעיינות סמוכים.
בחירת מעיין כמקור מים לאמה, נידונה בהרחבה בספר 'על אודות האדריכלות' של המהנדס והאדריכל הרומי ויטרוביוס. מאחר שהאמה התחתונה נבנתה בטכנולוגיה רומית, סביר להניח שבוניה הכירו את ההמלצות, ועל פיהן בחרו את עין עיטם כמקור העיקרי לאמה. בין ההמלצות המעניינות של ויטרוביוס ניתן לציין את:
בתקופה הרומית גדלה ספיקת האמה, בעקבות אמה נוספת שיזם הנציב הרומי, פונטיוס פילאטוס (26-36 לספירה). אמה זו, המכונה 'אמת הערוּבּ' על שם מעיין המוצא שלה המרוחק כחמישה קילומטרים דרומית לעין עיטם, הזרימה מים לבריכה שנבנתה מעל בריכת האגירה הראשונה, ושתי הבריכות גם יחד מילאו עתה את האמה התחתונה. תיארוך 'אמת הערוּבּ' לפילאטוס מתבססת על כתובת שנמצאה במקום, וכן על עדותו של יוסף בן מתתיהו המספר כי חציבת אמה זו על חשבון משלמי המיסים לא התקבלה בעין יפה, ועל דיכוי ההתקוממות באכזריות על ידי פילאטוס וחייליו:
כמה שנים לאחר מכן בנה הלגיון העשירי הרומי אמה נוספת לירושלים, היא 'האמה העליונה' בתוואי גבוה יותר. תוואי זה התאפשר עם כרייתה של אמת אספקה נוספת, הנקראת 'אמת הבּיאָר' על שם מעיין המוצא שלה, הנובע לא רחוק מעין ערוּבּ, בנקודה גבוהה יותר. מי 'אמת הבּיאָר' הוזרמו לבריכה שלישית, שנחצבה מעל שתי הבריכות הקודמות לה. השם המקובל לשלוש בריכות אגירה אלו הוא "בריכות שלמה", אך זהו שם שגוי, שכן מדובר במפעל מים מימי בית המקדש השני ולא הראשון.
במאה הראשונה לספירה כבר היו, אם כן, שתי אמות שסיפקו מים לבריכות שלמה (הערוב והביאר), ועוד שתי אמות שיצאו מהן - האמה העליונה והאמה התחתונה. נראה שהייתה אמה נוספת, קצרה בהרבה מאחיותיה, שהובילה מים להרודיון בתוואי ישר למדי, שלא עלה על 7 קילומטרים. אמה זו נבנתה ככל הנראה על ידי המלך הורדוס.
תוואי האמה ותבניתה.
מבריכות שלמה זרמו המים אל האמה התחתונה בתעלה פתוחה בתוואי מפותל. תשתית התעלה הייתה קיר בעובי של כמטר וחצי, עשוי אבנים קטנות שעורבבו במילוי מלט. על התשתית נבנתה תעלה מטויחת ברוחב של כ-50 סנטימטרים, גובהה כ-60 סנטימטרים, ומשני צידיה קירות בנויים ומטויחים ברוחב של כ-30 סנטימטרים.
האמה חלפה על פני בית לחם ממזרח, ומשם המשיכה לאורך קווי ההרים צפונה, דרך אזור בית סחור של ימינו ועד רכס הר אצל (ג'בל מוכבר - רכס ארמון הנציב). ההפרעות הטופוגרפיות העיקריות היו שלוש שלוחות הר החודרות עמוק מזרחה: שלוחת בית לחם, שלוחת צור באהר ושלוחת הר אצל. השלוחה הראשונה והאחרונה נחצו במנהרות חצובות (להלן). מצדו הצפוני של רכס ארמון הנציב המשיכה האמה לאורך הגדה הדרומית של גיא בן הינום. סמוך לבריכת הסולטאן חצתה האמה את העמק הרדוד על גבי גשר קשתות, והמשיכה לאורך הגדה המזרחית של הגיא.
האמה הקיפה את הר ציון, המשיכה לאזור בו נבנו לימים כנסיית הניאה וכיכר בתי מחסה; משם ירדה באזור מדרגות הכותל המערבי ונכנסה להר הבית דרך גשר עץ, שעבר בתוואי גשר וילסון מן התקופה הרומית. נראה כי גשר העץ הוקם לראשונה על ידי החשמונאים מעל הגיא המרכזי, כדי לאפשר את כניסת המים ישירות מהאמה לבית המקדש. במקדש עצמו הוזרמו המים למאגרים ולמתקנים שונים, ובהם ל'ים' - מתקן טבילה לטהרה ששימש את הכהנים, כמובא בתלמוד הירושלמי, מסכת יומא פרק ג דף מ"א: "וְהַיָּם לְרָחְצָה לַכֹּהֲנִים בּוֹ" () - ולא כלי הוא? (כלומר, האין המים בו שאובים, ולכן אסור לטבול בו? אך) אמת המים מושכת לו מעיטם".
טופוגרפיה.
הקושי העיקרי איתו נאלצו מתכנני האמה התחתונה להתמודד היה הטופוגרפיה המורכבת: מקורות המים היו אמנם גבוהים יותר מירושלים, אולם הדרך בין נקודת המוצא ובין נקודת היעד הייתה זרועה הרים ובקעות. בטכנולוגיה של הימים ההם, ללא משאבות, היה צורך לבחור בתוואי שיתגבר על הפרשי הגובה המשתנים ויאפשר לשמור על שיפוע מתון ואחיד. הבונים השתמשו בכלי מדידה שהיו מקובלים באותה עת בעולם הבנייה הרומי, כמו כורובאטס - מתקן למדידת שיפועים. באופן זה הם הצליחו לשמור על זרימת מים אחידה בשיפוע מתון ביותר של מעט יותר מפרומיל (מטר עומק לכל 1,000 מטרים אורך).
ב אמר אביי: שמע מיניה עין עיטם גבוה מקרקע עזרה עשרים ושלש אמות. מכיוון שהיה מקווה מעל שער המים, והשער גובהו עשרים אמות, והמקווה עמוק ג' אמות. ולא הזכיר אביי את הצורך בשיפוע מעין עיטם.
מנהרות.
האמה התחתונה היא ארוכה ומפותלת, שכן נבנתה ברובה על פני התוואי הטופוגרפי הקיים ועל פני רכסי ההרים שבדרך. בשל כך הגיע אורכה ליותר מ-23 קילומטרים, אף שהמרחק מראשיתה לסופה בקו האווירי הוא כ-10 קילומטרים. בשני מקומות בלבד נכרו מנהרות: המנהרה האחת נכרתה סמוך לבית לחם, והשנייה ברכס ארמון הנציב הסמוך לירושלים.
כריית המנהרות נעשתה בעזרת פירים אנכיים, שאפשרו חציבת מקטעים על ידי קבוצות חוצבים שונות. כל קבוצה חצבה פיר אחד, ובתחתיתו התפצלה לשתי קבוצות קטנות יותר, שחצבו בכיוונים הפוכים. המרחק בין הפירים לא עלה בדרך כלל על כמה עשרות מטרים, וקבוצות החוצבים נפגשו במחצית הדרך בין הפירים. שיטה זו של חציבת מנהרות הייתה מקובלת מאוד בעולם הרומי, והיא מתוארת בכתביו של המהנדס הרומי ויטרוביוס. יתרונה של השיטה הוא בכך שהיא מקצרת באופן משמעותי את משך כריית המנהרה, וכן היא מאפשרת אספקת אוויר ואור. יתרון נוסף של הפירים הוא שניתן להשתמש בהם לפינוי חומר החציבה, וכן לתחזוקת המנהרה לאחר הפעלתה. אמת הביאר נחצבה אף היא באופן זה, ובסקר שנערך בה אחרי מלחמת ששת הימים אותרו בה 23 פירים.
מנהרת בית לחם.
מנהרת בית לחם עוברת בגבולה המזרחי של העיר, במקום בו היו שדות חקלאיים בעת כריית המנהרה. אורכה המשוער של המנהרה הוא 360 מטרים, והיא מסתיימת ליד הכניסה הצפונית לבית לחם היום. מנהרה זו חסכה תוואי של כקילומטר וחצי, אותו היה על האמה לעבור כדי להקיף את השלוחה. מנהרת בית לחם נכרתה לא רק כדי לקצר את תוואי האמה, אלא גם כדי להימנע כמה שאפשר מהלאמת שדות חקלאיים של יושבי בית לחם, ובמקביל - להימנע מפגיעה ומגנבת מים בידי החקלאים המקומיים. המנהרה בבית לחם חסומה, ועל אף שפתחיה מוכרים, היא אינה נגישה למבקרים, ונמצאת בסכנת התמוטטות.
מנהרת ארמון הנציב.
מנהרת ארמון הנציב, שהיא הארוכה מבין השתיים, נועדה לחסוך תוואי של כשני קילומטרים, אותם היה על האמה לעבור כדי להקיף את הרכס מדרום לצפון. היא נחצבה במקום בו שני ערוצי הנחל מצדי הרכס יוצרים בו "מותן צר". אורך מנהרה זו הוא 423 מטרים, והיא כוללת חמישה פירים עמוקים. פתח הכניסה למנהרה שוכן בעומק שכונת תלפיות מזרח, ומוצאה מתחת לטיילת ארמון הנציב בתחומי הכפר ג'בל מוכאבר.