Чтобы ответить на вопросы, поставленные городским головой, Шухову и его коллегам пришлось приняться за составление собственного проекта. Работа заняла около двух месяцев, причем уже в предварительном варианте были намечены как основные, технические решения будущего водопровода, так и характер, масштабы, условия проведения необходимых изысканий на местности. «Проект водоснабжения Москвы, составленный инженерами Шуховым, Кнорре и Лембке», был признан Н. А. Алексеевым «наиболее отвечающим условиям, поставленным думою, и наилучше разрешающим за дачу водоснабжения», причем главным его достоинством признавалась достигнутая, благодаря умелой постановке задачи и удачному разрешению ее технической стороны, экономичность. Также было признано, что программа необходимых изысканий «составлена всесторонне, включая все задачи, подлежащие окончательному решению». Городской управой она была утверждена, и производство всех работ но изысканиям сдано с подряда А. В. Бари.

Комплексные геологические, геогностические и гидрологические исследования, проведенные в августе 1887 — марте 1888 года В. Г. Шуховым и его сотрудниками, однозначно показали, что местность, окружающая Мытищи, не может дать и половины необходимого количества воды (3,5 млн ведер в сутки). А потому «для удовлетворения течения требований города нельзя ограничиться Мытищами, но необходимо привлечь воды с большей части всего бассейна Яузы». Для заложения водосборов было решено остановиться на двух крайних участках реки Яузы, а именно: на местности, окружающей Мытищи, могущей дать до 1,5 млн ведер воды в сутки, и на участке Яузы между ее притоками Лихоборкой и Хапиловкой, в селах Леонове и Богородском, способном доставить остальные 2 млн ведер. Полученные в ходе изысканий данные были использованы для определения направлений естественного течения грунтовых вод и наиболее целесообразного расположения водосборов, а также выбора их типа. По словам Н. П. Зимина изысканная эти «имели за собой широко поставленный общий план и получили наибольшее детальное развитие, а потому и дали наиболее подробное освещение всех обстоятельств дела. Таких обширных и подробных изысканий, как последние, проведенные для Москвы, не производились ни для одного водоснабжения», — подчеркивал он.

Значение этих исследований выходило далеко за пределы вспомогательного средства при решении конкретной задачи осуществления водоснабжения Москвы. В результате обобщения полученных данных В. Г. Шуховым была разработана теория подпочвенных вод, высокую оценку которой дал Н. Е. Жуковский, указав, что «работа по исследованию подпочвенных вод Яузского бассейна представляет стройное и строго научно обставленное исследование, которое является ценным вкладом в литературу вопроса об эксплуатации подпочвенных вод». Этот отзыв особенно ценен тем, что Николай Егорович на протяжении многих лет интересовался проектированием и строительством водопровода и неоднократно привлекался городским управлением как консультант по наиболее трудным для разрешения вопросам. В 1888 году Н. Е. Жуковским была написана классическая работа «О движении грунтовых вод» и одновременно сделан доклад по той же теме на заседании Политехнического общества.

Все изыскания по водосборным сооружениям были закончены к концу марта 1888 года. В июне детально разработанный «Проект московского водоснабжения», составленный В. Е. Шуховым, Е. К. Кнорре и К. Э. Лембке, был направлен на утверждение в Министерство путей сообщения, где для его рассмотрения было созвано Временное совещание, которое потребовало проведения дополнительных пробных откачек, что и было сделано в сентябре. На страницах «Известий Московской городской думы» Владимир Григорьевич и его товарищи с удовлетворением отмечали, что откачки эти подтвердили «верность принятого в проекте метода расчета водосборов… Сравнение наблюдений последней откачки с предшествующими показывает, что намеченная в проекте первая линия водосборов может считаться проведенной».

Говоря о своей работе в целом, ее авторы подчеркивали: «Оригинальную новизну проекта составляют теория подпочвенных вод и решение общей задачи, служащей основой для расчета наивыгоднейшей сети городских труб и водопроводов, подводящих воду к городу… При том значении, которое имеет в России вопрос о водоснабжении подпочвенными водами, данные в проекте выводы о движении этих вод, представляют громадный интерес.

Необходимость найти при проектировании труб наивыгоднейший диаметр, соответствующий данным условиям, сознавалась всеми инженерами, но его находили только путем сравнительных расчетов и таким образом ощупью приближались к требуемому результату…

Сложность такого расчета крайне затрудняла применение его на практике в широких размерах, и только впервые нами было указано на общий закон, по которому с легкостью может быть найден наивыгоднейший диаметр труб, соответствующий данным условиям. Применение этого расчета к проекту Московского водоснабжения сбережет городу сотни тысяч рублей, что доказывается сравнениями приложенной к проекту сметы со сметами прежних проектов. Насколько этим методом мы опередили западных инженеров, видно из последнего выпуска журнала «Zeitschrift des Vereins Deulscher Ingenieure» (1889), где известный гидравлик Форхгеймер занимается решением того же вопроса…