Народна библиотека је основана 1832. године и најстарија је установа културе у Србији. Настала је као својеврсни депозит књига, затим била библиотека у саставу (Књажевско-типографијска библиотека, Библиотека Попечитељства просвештенија); након тога је окупила више библиотека јавних и државних надлештава и откупила неколико приватних библиотека (Лукијана Мушицког, Јосипа Шлезингера), да би са временом израсла у националну библиотеку.

Године 1845. Библиотека је имала 1421 наслов у 2283 свеске и ауторски каталог, који је израдио др Милован Спасић. Кнежевим указом из 1853. године уведено је звање државног библиотекара у рангу професора Велике школе. Назив „Народна библиотека” озваничио је Ђура Даничић, који је дефинисао националну концепцију набавне политике и започео израду текуће националне библиографије. Стојан Новаковић био је први законодавац Библиотеке. Његовом заслугом, Законом о штампи из 1870. године, установљен је обавезни примерак, а Библиотека је издвојена из Министарства просвете и црквених послова и отпочела је издавачка делатност. Још неколико закона који се тичу Народне библиотеке донето је у периоду до 1901. године. То су Закон о Српској краљевској академији наука, који је надзор над радом Библиотеке доделио овој установи, затим Закон о Народној библиотеци, који је дефинисао основне задатке Библиотеке, а то су: а) да помаже неговању науке у Србији, б) да олакша ширење народног образовања и в) да води рачуна о српској библиографији. У овом периоду, Библиотека је добила и свој први Правилник о унутрашњем уређењу и раду.

Први светски рат донео је много несреће Библиотеци. У бомбардовању је страдао део фонда, преостали фонд је пресељен на више места у Београду, Нишу и Косовској Митровици. Део фонда доспео и је и до Софије, али је после рата враћен. Нестало је доста грађе, рукописа, књига и новина.

Закон о штампи и нови Закон о Народној библиотеци из 1919. године доносе Библиотеци статус централне државне библиотеке и право на обавезни примерак са читаве територије Краљевине Срба, Хрвата и Словенаца. Текућа библиографија Југославије почиње да се израђује 1928. године. Каталошки листић међународног формата усвојен је у Библиотеци 1938. године. Часопис Гласник Народне библиотеке почиње да излази 1940. године.

Почетком Другог светског рата, у бомбардовању Београда, Библиотека је изгорела до темеља. Тада је изгубљен велики део фонда, каталози и инвентари. Обнова фонда почела је још за време рата да би након њега била интензивирана.

Библиотека добија нове, уређене каталоге, и то: 1947. године Ауторски, а 1948. године Предметни. Године 1953. оснива се Библиотечки центар, који ће прерасти у Одељење за унапређење библиотечке делатности. Библиографско одељење основано је 1960. године са сврхом израде српске ретроспективне библиографије, а исте године и Археографско одељење са циљем да описује и региструје јужнословенске ћирилске рукописе, као и да реконструише рукописни фонд. У то време настала је и Конзерваторска лабораторија за заштиту библиотечког материјала и научно-експериментална испитивања књиге и папира.

Закон о библиотекама Србије из 1965. године, Народној библиотеци, као централној матичној библиотеци у Србији, додељује посебно место и важне функције.

На дан страдања у бомбардовању, 6. априла 1973. године, Библиотека је свечано отворила врата своје нове зграде, у којој је и данас. Следеће 1974. године, формира се Стручни каталог по УДК, а затим и Централни каталог Србије и Центар за научне информације. Године 1976, Библиотека усваја нова правила за каталогизацију грађе и прелази на нови, међународни стандард за библиографски опис ISBD. Врше се припреме за прелазак на аутоматизовану обраду података.

Године 1987. Библиотека започиње са каталогизацијом публикација пред излазак из штампе, израђујући за монографије каталошки запис у публикацији CIP – Cataloguing In Publication, обухватајући претежан број издања у земљи.

Електронски каталог Народне библиотеке Србије формиран је 1989. године. Будући да је обухватао сву новоприбављену грађу, довео је до обуставе израде лисних каталога 1991. године.

Локалну рачунарску мрежу Библиотека је добила 1996. године, када је омогућен и приступ Интернету и израђена прва веб презентација.

После 2000. године, Библиотека чини значајне кораке, у првом реду у отварању према свету, при чему Центар за међународну сарадњу добија интензивнију и значајнију улогу. Центар за научне информације иницира оснивање Конзорцијума библиотека Србије за обједињену набавку (КОБСОН), који омогућава приступ великим електронским базама часописа са преко 6000 наслова. Покреће се велики број нових пројеката. Један од њих је и оснивање Центра Виртуелне библиотеке Србије (ВБС), који повезује електронске каталоге библиотека у Србији у јединствен узајамни електронски каталог.