חציבת המנהרה הייתה מבצע הנדסי מסובך בשל הפרש גובה של כ-50 מטרים בין פסגת ההר ומפלס המנהרה, הפרש שאילץ את החוצבים לחצוב פירים עמוקים במיוחד. המנהרה בעלת חתך אליפטי ממזרח למערב, גובהה המקורי היה כמטר וחצי, ובדופנותיה ניכרים סימני סיתות אלכסוניים וגומחות לנרות. בעקבות תיקונים ושיפוצים שנערכו בה במהלך השנים (להלן) הוכנס בה צינור חרס, ובהמשך היא הועמקה בשלושה מטרים.
חלקה הראשון של המנהרה מדרום הוא תעלה עמוקה באורך של כ-17 מטרים, שנחצבה בסלע וקורתה בלוחות אבן שטוחים, ובהמשך - בקירוי גמלוני שנוצר על ידי זוגות לוחות אבן. בסוף תעלה זו מתחילה המנהרה החצובה, ושם גם נמצא הפיר הראשון. כארבעים מטרים לאחר הכניסה למערכת נמצא הפיר השני, ששימש לתאורה ולאוורור. הפיר השלישי נמצא כ-115 מטרים מהכניסה. עומקו מגיע לכ-45 מטרים, וצורתו כשל חרוט סימטרי. הפיר הרביעי שוכן סמוך לטיילת גולדמן, והוא מרוחק מהפיר השלישי ב-135 מטרים. זהו הפיר העמוק ביותר במנהרה, ועומקו כמעט 60 מטרים. הפיר החמישי שוכן כמה עשרות מטרים צפונה, אולם הוא סתום ומוסתר.
השימוש באמה.
בעת העתיקה.
האמה התחתונה נועדה לספק מים לירושלים בלבד, ועל אף שעברה על פני יישובים ושדות חקלאיים רבים, לא היו בה "פתחי ביניים" לצורך אלה. יושבי ירושלים נהנו ממי האמה עד חורבן בית המקדש השני, שכן במהלך המרד הגדול היא ניזוקה על ידי המורדים, כמתואר במדרש איכה רבה (בובר) פרשה ד' "'דָּבַק לְשׁוֹן יוֹנֵק אֶל חִכּוֹ בַּצָּמָא' () - אמת המים באה מעיטם, פעם אחת עמדו הסיקריים והחריבוה, והיה אחד מהם נוטל את בנו והולך לאמת המים, מבקש לשתות ולא היה מוצא לשתות." האמה עמדה בחורבנה כמה מאות שנים, ושוקמה רק בתקופה הביזנטית. על כך מעידה כתובת ביוונית שנתגלתה סמוך לבית לחם, בה מזהיר "נציב המים" הביזנטי חקלאים משני צדי האמה התחתונה, שלא לפגוע בה:
כתובת זו, יחידה מסוגה בארץ ישראל, ונראה שנועדה לטפל בבעיה מקומית באזור בית לחם, בה החקלאים המקומיים חיבלו באמה כדי ליהנות ממימיה, ובכך מנעו את אספקת המים לירושלים. מאחר שבתקופה הביזנטית היה הר הבית מוזנח והרוס, משערים החוקרים כי האמה נועדה לספק מים לכנסיית הניאה, שנבנתה על ידי הקיסר יוסטיניאנוס במאה ה-6. אישוש לסברה זו ניתן למצוא בשרידי האמה שנתגלו ברובע היהודי בתחומי הכנסייה, וכן במאגרי המים הענקיים של הכנסייה, המצויים היום בתחומי גן התקומה ברובע היהודי, שלא ניתן היה למלאם ללא אספקת מים רציפה מאמת מים.
בימי הביניים.
בימי הביניים יצאה האמה העליונה מכלל שימוש, ואילו האמה התחתונה שוקמה ותוחזקה על ידי השלטון. הדבר תמוה, שכן האמה העליונה הייתה קצרה ומשוכללת יותר מהאמה התחתונה, ותחזוקתה הייתה פשוטה בהרבה. בימי שלטון בית אומיה בארץ ישראל הוארכה האמה, ומימיה הוזרמו להר הבית ולארמונות האומיים שלמרגלותיו (היום בתחומי הגן הארכאולוגי). גם בריכות שלמה שופצו אז, אם כי הגאוגרף הערבי מוקדסי תיאר בשנת 985 שתי בריכות בלבד. הגאוגרף נאצר חוסרו , לעומת זאת, הזכיר בשנת 1047 רק בריכה אחת, וההיסטוריון מוג'יר א-דין העיד במאה ה-15 על קיומן של שתי בריכות. מכאן שלא ברור כמה בריכות היו ובאיזה תקופה נבנו.
בתקופה הממלוכית שוקמה האמה התחתונה על ידי האמיר תנכיז (1327-1328). על גשר הקשתות שהוליך את האמה מעל גיא בן הינום נמצאה כתובת, המזכירה את שיקום האמה התחתונה בימי הסולטאן אִבְּן קָלָאוּן (1310-1341).
במאות ה-16 וה-17 אוכלוסיית ירושלים גדלה באופן משמעותי, והגיעה ל-15,000 נפש. השלטון העות'מאני שביקש להגביר את אספקת המים לעיר, החליט לשכלל את האמה התחתונה, להגן עליה מפני לכלוך וזיהום ולהגביר את לחץ המים. לשם כך הונח בשנת 1541 צינור חרס עשוי חוליות בתוך האמה, ובקצהו העליון חורים במרווחים קצובים, כדי לאפשר את תחזוקת החוליות ופתיחת סתימות. החורים כוסו בלוחות אבן, כדי למנוע כניסת לכלוך למים. עדויות לצינור זה, על פתחיו, ניתן למצוא בתוך מנהרת ארמון הנציב, לאורך דרך חברון סמוך לבריכת הסולטאן, וכן למרגלות החומה הדרומית של העיר העתיקה, בין שער ציון לשער האשפות.
כחלק משיקום האמה בראשית התקופה העות'מאנית, שיפץ הסולטאן סולימאן הראשון בשנת 1552 את אמת הביאר ואף הכריז עליה כווקף. במקביל הקים הסולטאן שורה של סבילים בירושלים, ובהם סביל אחד מחוץ לעיר, בדרך העוברת על קיר הסכר של בריכת הסולטאן. למרות המאמץ הגדול שהושקע בשכלול האמה, צינור החרס גרם לבעיות טכניות רבות: החוליות נשברו שוב ושוב והסתימות היו רבות. תעודות מבית הדין השרעי בירושלים מלמדות כי פלאחים ובדואים חיבלו באופן תדיר באמה, במטרה ליהנות ממימיה, עד כי "מכל הדרת בניינם לא נשארו רק שרידי עמודי פאר וכתובות שונות" בעקבות קשיים אלה האמה לא הצליחה לספק מים רבים לירושלים, ותחזוקתה הבעייתית כמעט והוציאה אותה לגמרי מכלל שימוש.
בעת החדשה.
במאה ה-19 גדלה אוכלוסיית ירושלים באופן משמעותי, והפולחן המוסלמי בהר הבית דרש מים זורמים רבים לשתייה, לטהרה ולרחצה. בעיית אספקת המים לעיר הלכה והחריפה. השלטון העות'מאני החליט לשקם שוב את האמה התחתונה על פי הטכנולוגיה המודרנית, במיוחד לקראת ביקורו של קיסר גרמניה וילהלם השני בארץ ישראל בשנת 1898. עדות לעבודות השיקום הנרחבות אפשר למצוא אצל ישראל דב פרומקין, עורך עיתון החבצלת:
חלקו העיקרי של השיפוץ כלל החדרת צינור ברזל בקוטר ארבעה אינץ' (כעשרה סנטימטרים) לתוואי האמה, מבריכות שלמה ועד ירושלים. בחלק מהמקומות בהם התוואי המקורי של האמה איגף שלוחת הר, ניצל צינור הברזל החדש את חוק הכלים השלובים, ועבר בעמק מצד לצד. צינור החרס פורק מהחלקים באמה שבהם הוכנס צינור הברזל. מנהרת ארמון הנציב הועמקה בשלושה מטרים ודופנותיה טויחו, כדי להפכה למאגר מים. מטרת המאגר הייתה להגביר את לחץ המים על ידי סגירת מוצא המנהרה במגופה מדי ערב, איגום המים במשך הלילה, ופתיחת המגופה בבוקר. המים שפרצו בבוקר הוזרמו מהקצה הצפוני של המנהרה לצינור ברזל, שירד לנחל אָצָל, ועלה חזרה ליד החומה הדרומית של העיר העתיקה. הצינור נכנס דרך החומה סמוך לשער האשפות, והגיע עד להר הבית. בתוך נחל אָצָל הסתעף הצינור מערבה עד לבריכת הסולטאן, כדי לספק מים לסַבִּיל שבראשו.
למרות הרצון לפתוח את האמה המשופצת לקראת ביקור הקיסר, הדבר יצא לפועל רק ב-1902, כחמש שנים לאחר הביקור. המים חולקו בנדיבות ליושבי העיר באמצעות סַבִּילים רבים שפוזרו ברחביה, וזרמו בבתי המרחץ, בבתי ההארחה ובמוסדות הדת בעיר. אולם ימי רווחה אלו היו מעטים: במהרה חוררו חקלאים את הצינורות בדרך מבית לחם לירושלים כדי שהמים יזרמו לשדותיהם וישקו אותם, ולא פעם שאבו נוודים ממדבר יהודה הסמוך ממי הצינורות ופגעו באספקה השוטפת לירושלים. גם ספָּקי המים בירושלים התנכלו לאמה המשופצת וחיבלו בה, משום שפגעה בפרנסתם.
השלטון העות'מאני התקשה להתמודד עם המפַגעים, ואפילו חיילים ושומרים שהוצבו לאורך האמות לא הצליחו להבריחם. השלטון אף הציע הקלות ופטור ממס לתושבי הכפרים והעיירות הסמוכים לאמות המים בתמורה לשמירה עליהן מפני מתנכלים, אך ללא הצלחה יתרה. בעיה נוספת יצר המאגר המלאכותי במנהרת ארמון הנציב, שגרם לשיבוש הלחץ בצינורות ולזליגת המים אחורה. סיעוף הצינורות להר הבית ולבריכת הסולטאן הוסיף גם הוא לשיבוש הלחצים, ואספקת המים הופרה שוב ושוב. בשל כך חזרו תושבי ירושלים להסתפק בבריכות ובבורות המקומיים, ובשלהי הקיץ נאלצו לקנות מים מספקים יושבי הכפרים הסמוכים, כדי לפצות על המחסור.
האחרונים שהשתמשו באמת המים החשמונאית להעברת מים מבריכות שלמה לירושלים היו הבריטים, אשר בשנת 1924 שיקמו את האמה. הם שילבו משאבות בבריכות שלמה, והכניסו צינור עשוי חוליות בטון מזוין לתחתית מנהרת ארמון הנציב, שחיברה את צינור הברזל העות'מאני משני קצותיו. היה זה מפעל מים ראשוני שיזמו הבריטים לאספקת המים לירושלים, ובהמשך תקופת המנדט הם פנו למקורות מים אחרים, בהם בעיקר מעיינות ראש העין, המהווים את מקור אספקת המים לירושלים עד ימינו. בעקבות כך, אמת המים התחתונה לא תוחזקה עוד, וחבלות שונות בצינורות לא תוקנו יותר. נכון למרץ 2014 לא זורמים מים באמה התחתונה.
חקר האמה.
האמה התחתונה הייתה מוכרת ואף שימושית במשך אלפי שנים, אך ספק אם משפציה ידעו דבר אודותיה. ראשון הארכאולוגים בעת החדשה, שחקר את האמה היה האמריקני אדוארד רובינסון, אשר בשנת 1838 ערך סקר חלוצי של כמה משרידי האמה. כ-15 שנה אחריו עמלו הארכאולוגים הבריטים מקניל וויטי על מחקר מקיף יותר, והתמקדו בעיקר בשרידי האמה שברכס ארמון הנציב.
הראשון שעקב אחר תוואי האמה מבריכות שלמה ועד לירושלים היה הארכאולוג הבריטי צ'ארלס וילסון. בשנות ה-60 של המאה ה-19 הוא שרטט מפה של האמה לכל אורכה, ומפה של בורות המים בהר הבית, ובהם שני מאגרים גדולים מימי בית המקדש השני, שמולאו על ידי האמה התחתונה. המאגרים שימשו כמקוואות, ושכנו ליד שערי חולדה החשמונאיים. בעקבות הרחבת הר הבית דרומה בידי הורדוס, שוכנים מאגרים אלה היום באמצע רחבת הר הבית. ב-1878 הרחיב החוקר קונרד שיק את עבודתו של וילסון, וחקר גם את אמות הערוב והביאר. במשך כמאה שנה לא נערכו עבודות מחקר או שיקום של האמה, ורק לאחר מלחמת ששת הימים, בשנות ה-70 של המאה ה-20, נערך סקר ואף בוצע ניקוי חלקי של האמה התחתונה, בידי החוקרים הישראלים עמיחי מזר, יהושע כהן ודוד עמית מבית ספר שדה כפר עציון. בשנת 1995 חפר הארכאולוג יעקב ביליג את שרידי האמה ברכס ארמון הנציב, שבעקבותיו נוקתה המנהרה, קירותיה חוזקו ונקבעו דלתות ברזל בשני פתחיה.