پایه تاسیس کتابخانه ملی ایران، مانند بسیاری از نهادهای اداری نوین ایران به عصر ناصرالدین شاه قاجار باز می‌گردد. ایجاد کتابخانه سلطنتی در دربار و مهمتر از آن تأسیس کتابخانه‌ای در مدرسه دارالفنون در سال ۱۲۴۲ هجری، اولین قدم  در راه ایجاد کتابخانه ملی بود. پس از آن انجمن معارف که به منظور توسعه مدارس در ایران ایجاد شده بود، ساختمانی در کنار کتابخانه دارالفنون با نام « کتابخانه ملی معارف ایران »  درتهران ستفاده محصلین مدارس ایجاد نمود که حرکت به سوی تأسیس کتابخانه ملی را سرعت بخشید. نهایتا در دوره پهلوی در سوم شهریور ماه سال ۱۳۱۶، کتاب‌های کتابخانه معارف به ساختمان جدید که در کنار ساختمان در حال ساخت موزه ایران باستان بود، منتقل شد و در ۲۳ شهریور ماه رسماً « کتابخانه ملی ایران» نامیده شد.

پس از انقلاب در سال ۱۳۶۱، ادغام کتابخانه ملی با مرکز خدمات کتابداری، تاثیر بسزایی بر عملکرد آن گذاشت. از این زمان بود که فهرست‌نویسی با استفاده از نیروهای متخصص مرکز به ‌طور علمی و مطابق با استانداردهای بین‌‌المللی شروع  شد. در سال ۱۳۶۸ کلیه‌ ناشران کتب و مطبوعات‌ دولتی‌ و غیردولتی ‌موظف به تحویل تعدادی نسخه رایگان انتشارات خود به وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی و واسپاری آثار خود به کتابخانه ملی شدند.در سال ۱۳۶۹، به موجب قانون اساسنامه کتابخانه ملی ایران مصوب مجلس شورای اسلامی، سازمان کتابخانه ملی ایران به عنوان سازمانی مستقل و زیر نظر مستقیم ریاست جمهوری قرار گرفت.

در نهایت در سال ۱۳۸۱ سازمان اسناد کشور با کتابخانه ملی ایران ادغام شد و نام آن به سازمان اسناد و کتابخانه ملی جمهوری اسلامی ایران تغییر یافت. سازمان اسناد و کتابخانه ملی با چهار معاونت: معاونت کتابخانه ملی، معاونت اسناد ملی، معاونت پژوهش و دیجیتال و معاونت توسعه مدیریت و منابع انسانی، در دو ساختمان کتابخانه ملی ایران و گنجینه اسناد ملی ایران به فعالیت خود ادامه می‌دهد.

اولین بنای کتابخانه ملی ایران با طراحی آندره گدار، معمار فرانسوی، مجاور ساختمان موزه ملی ایران ساخته و در سال ۱۳۱۶ بطور رسمی بازگشایی شد. پس از چند سال، ساختمان جدیدی در سال ۱۳۴۰ به کتابخانه ملی افزوده شد و زیربنای ساختمان کتابخانه ملی به هزار متر مربع رسید. در سال ۱۳۷۵ کلنگ ساختمان جدید زده شد و در ۱۱ اسفند همان سال رسماً افتتاح شد. ساختمان جدید کتابخانه ملی، در هشت طبقه و حدودا ۹۷ هزار متر مربع زیربنا ساخته شده است و در برابر زلزله ۹ ریشتر مقاوم است. این ساختمان درشرایط عادی چهار میلیون جلد و درصورت استفاده ازقفسه‌‌بندی فشرده تا هفت میلیون جلد کتاب ونشریه ادواری را درخود جای می‌دهد.

در طراحی ساختمان، از الگوهای معماری قبل و بعد از اسلام استفاده شده است. ساختمان بر روی یک کرسی بتنی گسترده مستطیل شکل بنا شده است و به تدریج در طبقات بالاتر آن از سطوح طبقات کاسته می‌شود و سازه زیگورات مانندی را تشکیل می‌دهد. قوس‌ها و نقش‌های اسلیمی در نما، یادآور زیبایی‌های معماری اسلامی در این بناست. ترکیب هرمی بنا منحصر به حجم اصلی ساختمان نیست و ادامه آن تا کناره‌های زمین و محوطه سبز آن کشیده شده است. شکل پلکانی ساختمان، این امکان را فراهم کرده است تا نور افق از نورگیرهای حاشیه‌ای بین طبقات و نور خط‌‌الرأسی از نورگیرهای سقفی سطح بام‌ها، همه فضاهای اصلی و تالارهای مطالعه را روشن کند.

براساس آمار اعلام شده توسط معاونت کتابخانه ملی سازمان اسناد و کتابخانه ملی در سال ۱۳۹۸ منابع کتابخانه ملی ایران به شرح زیر است:

  • دو میلیون و هشتصد و چهل و یک هزار و ششصد و شصت و پنج جلد منابع کتابی
  • نهصد و ده هزار و هشتصد و سی و پنج ماده منابع غیر کتابی شامل سیصد و یک هزار و هفتصد و هشتاد و دو پایان نامه و مابقی سایر منابع از جمله عکس و لوح فشرده.
  • چهار میلیون شماره نشریه در ۱۴۰ هزار و ۶۱۹ مجلد که از این تعداد، ۲۴ هزار و ۹۹۷ جلد انواع نشریات لاتین و عربی است.
  • دویست و نود وهشت هزار و صد و پنجاه جلد کتاب کودک و نوجوان
  • بیست و سه هزار و سیصد و بیست و سه نسخه کتاب گویا برای نابینایان که شامل نوار کاست و لوح فشرده و حدود هزار عنوان کتاب بریل و ۷۷۵ جلد نشریه برای استفاده نابینایان و کم بینایان
  • پنجاه و پنج هزار جلد کتاب قدیمی که از این تعداد ۲۸ هزار و ۱۵۸ نسخه خطی و بیش از ۲۶ هزار نسخه چاپ سنگی و چاپ سربی قدیمی است.
  • هشتاد هزار و چهارصد و ده جلد کتاب و ۲۳۰۰ عنوان پایان‌نامه و۶۰۰۰ جلد نشریه در بخش ایران‌شناسی و اسلام‌شناسی موجود است؛ و در مجموع دارای ۸۲۰۳۲۳۸ (هشت میلیون و دویست و سه هزار و دویست و سی و هشت)جلد کتاب،مجله،نوار و … را در خود جای داده است.

کتابخانه دارای ۱۴ تالار با ۱۵ میلیون آیتم کتابداری است و قدیمی‌ترین نسخهٔ خطی این کتابخانه دستور اللغه المسمی بالخلاص اثر ادیب نطنزی از عربی به فارسی است

منابع موجود در سازمان اسناد و کتابخانه ملی ایران در سه مجموعه کلان «کتابخانه ملی»، «آرشیو ملی» و «دیجیتال» جای دارند.