20世纪80年代中期，随着青岛市国民经济和社会发展以及经济开发区建设的需要，青岛电力供应趋于紧张。为了保证生活用电，市政府对用电负荷占青岛地区供电负荷70%的250个企业用电大户实行“五定”：定用电负荷、定用电量、定用电时间、定高峰时用电量、定产品用电单耗，并在其中214个企业安装电力定量器，限制这些企业在晚间照明用电高峰期间用电。此外，在台东、台西等居民密集区的244个企业装设了开关钟，每到晚间照明用电高峰期间，自动切除这些企业的高耗电设备的电源。青岛市“电荒”状况严重影响到居民生活和企业生产，急需加快黄岛发电厂的扩建工作。
　　黄岛发电厂二期工程
　　1984年7月，青岛市计委向山东省计委报送关于扩建黄岛发电厂的报告。7月28日，山东省计委向国家计委报送《关于黄岛发电厂扩建2×20万千瓦机组项目建议书》的报告。8月29日，国家计委对黄岛发电厂扩建工程向省计委和水电部复函，同意在黄岛发电厂扩建2台20万千瓦机组的项目，所需投资由国家安排30%，地方安排70%。工程投资约4.7亿元，其中国外部分2.352亿元。

　　1984年11月，西北电力设计院对黄岛发电厂二期扩建工程开始勘察设计，在建厂勘察基础上，主要对机组主厂房、附属厂房扩建工程、电厂110千伏和220千伏升压站、除灰系统和贮灰场扩建工程、燃料运输及贮存系统、海水供排水系统、淡水水源地工程等进行设计。1985年4月完成可行性设计。1986年3月，黄岛发电厂扩建工程列入国家“七五”重点建设项目后，山东省电力工业局会同青岛市有关单位在黄岛发电厂召开二期工程初步设计审查会，对二期工程的总平面设计、土建及施工条件、热机、输煤除灰、供水、电气、热控、环保、概算等方面提出了37项171条审查意见。1987年3月10日，山东省电力工业局局长查克明、青岛市市长秦家浩在黄岛发电厂召开现场办公会，要求二期扩建工程争取1987年完成开工准备，实现开工，一年土建，一年安装，1989年第一台21万千瓦机组顺利发电。1987年国务院批准黄岛发电厂扩建工程由“七五”计划预备项目转为正式开工项目。
　　黄岛发电厂为二期工程的顺利投产进行了大量准备工作。在二期工程永久征地和临时租地（包括厂区、施工场地、电建三公司生活区）的区域内，搬迁和索赔工作涉及厂外10多个单位，近300户居民，与地方共签订征用、租赁、补偿协议9份。在地方各部门的支持下，1987年11月完成厂外单位在扩建区域内的搬迁。12月15日，青岛市政府、山东省电力工业局在黄岛发电厂二期施工现场举行开工奠基仪式。整个工程包括土建和安装两大部分。1988年5月15日主厂房开工，主厂房基础基坑大面积开挖，基础分区施工，拆模后及时回填。11月13日，土建交付安装。12月15日，主体工程开工。
　　此次扩建的两台苏制机组结构复杂，施工条件极其困难。在电建三公司和黄岛发电厂工程施工技术人员的共同努力下，两台机组分别于1989年12月25日和1990年11月17日安装完毕并移交生产。
　　黄岛发电厂二期工程装机容量为2×21万千瓦。主机、辅机、主要附件和管件、管材、钢材、电缆和部分热工仪表由苏联供货，由中国技术进出口总公司和水利电力部对外公司与苏方签订合同（合同金额160727988瑞士法郎）。其余部分由国内配套。3号、4号锅炉系苏联塔干洛克“红色工作者”制造厂制造，型号为EII-670-138-545KT型，型式为单汽包、烟气密封、悬吊式、自然循环、固态排渣炉，双炉膛T型结构，出力为670吨/时。3号、4号汽轮机系苏联列宁格勒金属加工厂制造，型号为K-215-130-1型，系超高压、一次再热、七段非调节抽汽、三缸双排汽冷凝式汽轮机，额定功率为21万千瓦。3号、4号发电机由苏联列宁格勒“电力”工厂制造，型号为TBB-220-2E型，采用水、氢、氢冷冷却方式，有功功率21万千瓦。主变压器为TIIU-250000/220型，25万千伏安，双卷油循环，由苏联扎波罗什变压器厂生产。二期工程采用机、炉、电集中控制方式，每台机组设置一单元控制室，对锅炉汽机发电实行单元集中控制。
　　1992年，国家能源投资公司《关于黄岛发电厂二期工程第二次调整概算的批复》将概算总投资最终调整为69125万元。1992年6月3日，山东省电力工业局下达《关于印发黄岛发电厂二期工程第二次调整概算划分的通知》。《通知》规定：山东电力建设第三工程公司22880.2万元，山东黄岛发电厂46244.8万元，共合计69125万元。
　　黄岛发电厂三期工程
　　进入21世纪后，随着经济的迅猛发展和一大批国家重大项目的投产建设，青岛市的电力供应日趋紧张。2001年，青岛地区全社会用电量达到120亿千瓦时，电网最高负荷达185万千瓦，但装机容量仅为171万千瓦，电力供应出现严重缺口。为充分解决青岛市电力供需矛盾，加强山东电网末端电网电源支撑，黄岛发电厂从2002年起全面进行扩建工程的筹建准备。
　　该扩建项目由青岛国信实业有限公司全资建设，西北电力设计院设计，山东电力建设二公司施工安装，其中三大主机设备分别由上海锅炉厂、上海汽轮机有限公司、上海汽轮发电有限公司制造，静态投资约42.3亿元。该项目工程具有明显的投资省、见效快、科技含量高、节能效果好等优势，其不再建设专用的储煤场、贮灰场、水源地，全厂废水、废渣全部实现对外“零排放”和大规模利用淡化海水发电的环保特色尤为突出。黄岛发电厂三期扩建工程设计建设两台600兆瓦等级国产超临界燃煤发电机组，为山东省首台国产超临界机组，其设计供电煤耗仅为301.6克/千瓦时，在全国火电机组中处于领先水平，与全省统调电厂2005年的平均供电煤耗相比，该项目每年可节约原煤50余万吨。
　　2004年上半年，黄岛发电厂三期工程开工建设。2006年3月2日，国家发改委核准了山东黄岛发电厂2×600兆瓦等级国产超临界燃煤发电机组建设。9月20日，5号机组建成点火试运行。黄岛发电厂三期工程两台超临界机组是山东省“十五”电力发展规划重点扶持和优先发展项目，同时是青岛市2008年“绿色奥运”重要基础设施。第一台5号机组于2006年11月投入商业运营，成为中国首台自行设计制造的超临界660～710兆瓦等级火电机组，在高效、节能、环保方面表现出突出优势。6号机组进入调试阶段后，黄岛发电厂试运指挥部和各参建单位人员24小时驻守现场，针对存在的技术问题，及时组织专业小组研究解决。通过精心组织、精心操作，6号机组创造了用电受电、锅炉水压试验、汽机扣盖、锅炉点火、吹管、汽轮机冲转、机组并网发电7个“一次成功”。经检验，各项技术指标均达到优良级，创出同类型机组建设和试运的先进水平。

　　2007年11月14日上午8时，黄岛发电厂迎来一个历史性时刻——中国首批自行设计制造的、该厂三期工程第二台超临界660～710兆瓦等级火电机组顺利实现168小时满负荷连续试运行后，投入商业运营。由此，三期扩建工程全部完成，总装机容量达到2050兆瓦，使黄岛发电厂进入国家特大型发电企业行列。
　　与国内同类机组相比，黄岛发电厂三期工程两台机组在节能减排、资源节约与环境保护方面实现了四大突破。一是节约淡水。黄岛发电厂三期工程两台机组全部利用淡化海水作为发电用水，不新设水源地。作为全国第一家发电生产锅炉用水全部采用淡化海水的发电企业，黄岛发电厂拥有海水淡化设备3台，每日可生产淡化海水1.6万吨，完全能够满足企业的发电生产锅炉用水需求。二是节约用地。为了有效地节约用地，三期工程从设计之初就对工程所需土地和循环水取水、输煤系统、出线走廊等公用设施进行了合理压缩、控制，并将原机组用地与新增机组用地进行优化配置，不再征用新的土地。同时，三期工程采用灰渣储存再利用技术，实现全厂灰渣对外“零排放”，由此取消了储灰场，节约近千亩土地。三是节能环保。国内600兆瓦等级机组一流水平的供电煤耗率在310克/千瓦时左右，而黄岛发电厂三期工程两台机组的煤耗超越这一水平。另外，两台机组同步建设了脱硫效率达95％以上的低成本、低能耗烟气海水脱硫设施，以及除尘效率可达99.7％的电除尘器，污水全部回收利用。与此同时，黄岛发电厂三期工程同步增设了烟气脱硝设备。工程静态投资16216万元，在每台锅炉最大蒸发量情况下，可处理100%的烟气量。这些有效的环保措施，将机组污染排放降到最低，达到了“增产不增污”的要求。四是降低油耗。该厂两台超临界机组的锅炉点火、助燃，均采用高科技的等离子技术，替代传统的燃用轻柴油的做法，使两台机组正常运营时每年可节约柴油3000吨。仅两台机组从锅炉点火吹管到168小时试运结束，对比同类机组节约柴油1.7万吨。
　　2008年6月24日，中国大唐集团公司与青岛市政府签订战略合作协议，正式托管黄岛发电厂。11月5日，大唐集团公司又与青岛国信集团正式签订黄岛发电厂80％股权转让协议，黄岛发电厂正式进入大唐序列。
　　三期工程的顺利建成投产，使黄岛发电厂一跃成为山东省第三大电厂。该厂总装机容量达到2050兆瓦，使青岛市发电装机容量超过3200兆瓦，加上山东电网提供的部分电能，解除了青岛市此后几年的缺电之忧。同时，还有助于加强山东电网500千伏网架和电网末端电网电源的支撑、优化电源布局，对保证电网供电安全、稳定、可靠，带动区域经济发展具有重大的战略意义。