Lietuvos nacionalinės Martyno Mažvydo bibliotekos idėja, pradėjusi formuotis dar XIX a. pradžioje, palaikyta Simono Daukanto ir Motiejaus Valančiaus laikais, tada nebuvo įgyvendinta dėl lietuvių spaudos lotyniškais rašmenimis uždraudimo (1864–1904). XIX a. pabaigoje ji atgimė užsienyje, tačiau nei Mažosios Lietuvos šviesuoliai, nei Paryžiuje veikusi „Želmens“ draugija (1896–1914) tikslo nepasiekė. Bene rimčiausiai visos lietuviškos ir lituanistinės spaudos rinkimo darbo ėmėsi 1907 m. įkurta Lietuvių mokslo draugija. Pirmojo pasaulinio karo įvykiai šį darbą gerokai pristabdė, o atkūrus Lietuvos valstybę nacionalinės bibliotekos steigimo reikalai iškilo visai kitoje plotmėje.
Seną nacionalinės bibliotekos idėją realiai pradėta įgyvendinti 1919 metais. Lietuvos švietimo liaudies komisariatas 1919 m. sausio mėnesį buvusią Vilniaus viešąją (iki 1832 m. – Vilniaus universiteto) biblioteką perorganizavo į Lietuvos centrinį knygyną ir jis jau vasario 1 d. pradėjo veiklą. 1919 m. balandžio 21 d. lenkų legionieriams okupavus Vilnių jo darbas buvo nutrauktas. Pradėti kaupti fondai (nauja literatūra ir Pirmojo pasaulinio karo sūkuryje tapusios beglobės knygos) liko Vilniuje ir tapo atkurto Vilniaus universiteto bibliotekos fondų dalimi. Nacionalinės bibliotekos pirmtakas – Lietuvos centrinis knygynas – dėl susiklosčiusių istorinių aplinkybių buvo įkurtas Lietuvos laikinojoje sostinėje (1920–1939) Kaune. Pirmasis bibliotekos vedėjas Latvijos vokiečių kilmės filologas, etnografas, archeologas Eduardas Volteris (1856–1941) pasitraukęs į Kauną bibliotekos kūrimo darbą pradėjo iš naujo. Atgal į Lietuvos sostinę Vilnių biblioteka grįžo tik 1963 m.
1919 m. gruodžio 20 d. išleistas Lietuvos laikinosios vyriausybės įsakymas dėl Centrinio valstybės knygyno, pavaldaus Švietimo ministerijai, veiklos pradžios. Ši data ir laikoma oficialiu Nacionalinės bibliotekos gimtadieniu. Gaudama privalomąjį egzempliorių, kaupdama beglobes asmenų ir buvusių caro valdžios įstaigų knygas, priimdama dovanas, jau 1919 m. pabaigoje biblioteka sukaupė per 18 000 leidinių. Nuosekliai dirbti buvo sunku, nes nebuvo tinkamų nuolatinių patalpų. Iš pradžių fondas buvo laikomas Seimo rūmuose, ten veikė ir nedidelė skaitykla.
1920 m. pradėtu kurti Lietuvos viešųjų bibliotekų tinklu daugiausia rūpinosi Valstybinis centrinis knygynas. Per 17 metų apskričių miestuose buvo įkurtos ir ėmė veikti 16 viešųjų bibliotekų. 1936 m. pradėta centralizuotai komplektuoti jų fondus, sukurtas tarpbibliotekinis abonementas. Mezgėsi ryšiai su užsieniu (knygų mainai, raštiškas keitimasis informacija). Masinio darbo su skaitytojais biblioteka nedirbo (per visą tarpukarį surengė tik vieną parodą – „Aušros“ 40-mečiui paminėti; ją aplankė apie 700 žmonių).
Darbo kryptys pradėjo stabilizuotis paskelbus Valstybinių viešųjų bibliotekų įstatymą (1936 m.) – biblioteka buvo įpareigota kaupti ir saugoti visą Lietuvos ir užsienio lituanistinės spaudos produkciją.
Naujojo direktoriaus Juozo Rimanto planus ir sumanymus sugriovė sovietinė okupacija. 1940–1941 m. į biblioteką siūbtelėjo didžiulis tarybinės rusų literatūros srautas, buvo perimta dalis nacionalizuotų knygų rinkinių. 1941 m. pradžioje bibliotekos fonduose buvo per 200 000 bibliotekinių vienetų. Po 1940 m. sovietinės okupacijos nutrūko kuklūs bibliotekos ryšiai su užsieniu, bet smarkiai plėtėsi ryšiai su Rusijos ir kitų SSRS respublikų bibliotekomis, pradėta vadovautis rusų tarybinės bibliotekininkystės ir bibliografijos nuostatomis.
Hitlerinės okupacijos metais bibliotekos patalpas teko užleisti vokiečių kariuomenei. Nustojo veikti skaitykla, pradėta šalinti fašistinei ideologijai nepriimtiną spaudą. Vienas didžiausių bibliotekos darbuotojų rūpesčių buvo rasti saugią pastogę fondams, gelbėti ir slapstyti persekiojamą literatūrą. Nors pastangos buvo didelės, karo nuostolių tyrimo komisijos akte (1944 m. rugsėjo 8 d.) nurodyta, kad biblioteka okupacijos metais neteko 19 175 vertingų knygų.
Pasitraukus hitlerininkams, biblioteka įsikūrė buvusiuose Prekybos, pramonės ir amatų rūmuose. Naujose patalpose vėl pradėta kaupti išsklaidytus fondus ir juos nuosekliai pildyti. Daugiau kaip pusmetį biblioteka skaitytojų neaptarnavo. Tik 1945 m. pavasarį pradėjo veikti abonementas ir bendroji skaitykla. Bibliotekos reorganizacijos darbai užtruko iki 1948 m.
Pirmaisiais pokario metais biblioteka gavo visą SSRS teritorijoje leidžiamą spaudą, o nuo 1949 m. – tik literatūrą rusų kalba (1959 m. priėmus įstatymą dėl gaunamų knygų apmokėjimo įstatymas dėl nemokamo privalomojo egzemplioriaus buvo panaikintas).
Susikaupė didelis beglobių knygų rezervas. Fondus (ypač lietuviškas ir užsienyje spausdintas tarpukario knygas) smarkiai nualino ištisą dešimtmetį trukęs jų „valymas nuo ideologiškai kenksmingos literatūros“. Daug knygų, net senų ir retų leidinių, buvo sunaikinta. 1950 m. į Petrašiūnų popieriaus fabriką ir žaliavų punktus išgabenta 30 tonų (!) knygų, daug jų sudeginta bibliotekos katilinėje. Be to, 1950–1953 m. beveik 33 000 tomų buvo perduota Vilniaus bibliotekoms. Beveik visa lietuviška tarpukario ir karo metų periodika pateko į vadinamąjį specialaus saugojimo fondą ir tapo nedaug kam prieinama. Neveikė net lituanistikos skyrius. Biblioteka privalėjo daug dėmesio skirti masiniam švietimui, agitacijai, propagandai. 1948 m. biblioteka buvo įpareigota teikti metodinę pagalbą respublikos masinėms bibliotekoms, pradėjo leisti savo leidinius (daugiausia rekomendacines bibliografijas ir metodinius nurodymus).
1951 m. patvirtinti nauji bibliotekos nuostatai suteikė jai pagrindinės respublikos bibliotekos statusą. Tada buvo pakeistas ir bibliotekos pavadinimas.
Smarkiai augant fondams (ypač dėl naujų knygų dubletinių egzempliorių), didėjant skaitytojų srautui ir daugėjant darbuotojų, bibliotekai pasidarė ankšta. Buvo nutarta ją perkelti į Vilnių, ten pastatyti naujus rūmus. Nacionalinės bibliotekos rūmų statybos techninį projektą 1952 m. patvirtino LTSR ministrų taryba. Jo autoriai – architektas Viktoras Anikinas ir konstruktorius Ciprijonas Strimaitis. Rūmai baigti statyti 1958 metais. 1963 m. gruodžio 4 d. dabartinis bibliotekos pastatas buvo oficialiai atidarytas – tai buvo pirmasis pastatas Baltijos šalyse, suprojektuotas ir pastatytas išskirtinai bibliotekai.
Biblioteka tada buvo daugelio naujovių pradininkė: pirmoji SSRS pradėjo taikyti teletaipo ryšius tarpbibliotekiniam abonementui ir bibliografinei informacijai, įrengė telefonus automatus naujausių knygų bibliografinėms apžvalgoms perduoti visai respublikai, įkūrė specialų skyrių bibliotekiniams procesams automatizuoti ir mechanizuoti, pertvarkė tarpbibliotekinio aptarnavimo sistemą, įkūrė pasakų kambarį su lėlių teatru ir t. t. 1965 m. Palangoje buvo pastatytas bibliotekos filialas – sezoninė skaitykla, ją pamėgo poilsiautojai.
1988 m. tautinis atgimimas, viešumo ir demokratijos vėjai pakeitė oficialų požiūrį į daugelį gyvenimo sferų. Neaplenkė jie ir bibliotekų. Atkūrus Lietuvos Respublikos nepriklausomybę, Nacionalinė biblioteka atvertė naują istorijos puslapį.
Nacionalinėje bibliotekoje buvo peržiūrėtos pokario metais išimtos knygos ir periodika: iš spec. fondų skaitytojams grąžinta Lietuvos Respublikos, išeivijos, užsienyje ir SSRS išleista literatūra, drausta stalinizmo ir brežnevizmo metais. 1988 m. Nacionalinės bibliotekos fondai padidėjo iki 5 mln. tomų. Neregėtai suaktyvėjo skaitytojai. Vien lituanistikos skyriuje jų skaičius išaugo daugiau kaip tris kartus, periodikos skaitytojai nepasidalijo žurnalų ir laikraščių, literatūros vakaruose, skirtuose Lietuvos kultūros veikėjams, sunkiai tilpo visi norintys dalyvauti.
1988 m. bibliotekai suteiktas pirmosios lietuviškos knygos autoriaus Martyno Mažvydo vardas, o 1989 m. – nacionalinės bibliotekos statusas. Nuo tų metų gegužės 30 d. bibliotekos oficialus pavadinimas – Lietuvos nacionalinė Martyno Mažvydo biblioteka.
1990 m. į Lietuvą pradėjo sugrįžti lietuvių išeivijos spauda. Bibliotekos fondus papildė per 1 mln. spaudinių, gautų iš JAV, Vokietijos, Prancūzijos. Atkūrus Lietuvos nepriklausomybę, susidarė tinkamos sąlygos plėtoti tarptautinį bendradarbiavimą. Nacionalinė biblioteka tapo pagrindinių tarptautinių bibliotekų asociacijų ir institucijų nare. 1992 m. pasirašyta pirmoji Baltijos valstybių (Lietuvos, Latvijos ir Estijos) nacionalinių bibliotekų bendradarbiavimo sutartis.
Biblioteka ir jos bendruomenė tapo aktyviais valstybingumo atkūrimo dalyviais. Centriniai bibliotekos laiptai nuolat buvo taikių Nepriklausomybės siekį deklaravusių mitingų tribūna. Biblioteka per Sausio 13-osios įvykius savo erdvėse priglaudė nuvargusius ir sužvarbusius Nepriklausomybės kovotojus, įkurdino Raudonojo Kryžiaus centrą.
1991 m. lapkričio 20 d. Lietuvos Respublikos Aukščiausiosios Tarybos Prezidiumo nutarimu bibliotekai kartu su nacionalinės bibliotekos funkcijomis pavesta vykdyti ir parlamentinės bibliotekos funkciją. Tam bibliotekoje buvo įkurtas Vadovybės informacijos skyrius, kurio pagrindinis uždavinys – operatyvus Lietuvos Respublikos Seimo vadovybės, Seimo narių, jų patarėjų, komitetų ir komisijų narių, kitų valstybės tarnautojų bibliografinis ir informacinis aptarnavimas.
1992 m. prie bibliotekos buvo prijungti Knygų rūmai ir Nacionalinė biblioteka pradėjo kurti modernią bibliografinės apskaitos ir kontrolės sistemą. Nuo 1992 m. joje kaupiamas, tvarkomas ir saugomas Nacionalinis publikuotų dokumentų archyvinis fondas.
1992-aisiais pradėta bibliotekos priestato statyba tęsėsi 11 metų. Iš pradžių planuota darbus baigti per 3,5 metų. Statyba užsitęsė, nes kasmet Vyriausybės skiriamų lėšų nepakako.
1995 m. Lietuvos Respublikos bibliotekų įstatymas apibrėžė Nacionalinę biblioteką kaip pagrindinę šalies viešo naudojimo mokslinę biblioteką. Tais pačiais metais Lietuvos Respublikos Vyriausybė patvirtino Lietuvos integralios bibliotekų informacijos sistemos (LIBIS) kūrimo programą ir paskyrė Nacionalinę biblioteką pagrindine šios programos vykdytoja.
2003 m. vasarą bibliotekos priestatas buvo oficialiai atidarytas. Jame įrengtos papildomos skaityklos, dokumentų saugyklos, darbo kabinetai. Naujame pastate buvo sumontuota moderni įranga – automatinė dujinė gaisro gesinimo sistema, centralizuota dulkių šalinimo sistema, gaisro ir apsaugos signalizacijos, tinkamo klimato palaikymo ir reguliavimo automatinė sistema. XXI amžių pagrindinė šalies biblioteka pasitiko su naujai sukurta integralia ir virtualia bibliotekų informacijos ir paslaugų infrastuktūra.
2004 m. Nacionalinės bibliotekos pastangomis imamas leisti mokslo darbų žurnalas „Parlamento studijos“. Jame analizuojami šalies parlamentarizmo istorijos ir tradicijų, reikšmingų politologijos, sociologijos, kitų mokslo sričių, susijusių su valstybės sandara ir valdymu, tyrimai, mūsų dienomis aktualūs valstybės valdymo procesai. Tarptautinė žurnalo redakcinė kolegija, atstovaujama mūsų šalies, Vokietijos, Rusijos, Jungtinės Karalystės, Lenkijos akademinių institucijų atstovų, rūpinasi, kad du kartus per metus leidžiamame žurnale būtų pateikiamos naujausiais moksliniais tyrimais grįstos publikacijos.
2005 m. pradėta kurti Virtuali elektroninio paveldo informacinė sistema (VEPIS) sujungė bibliotekų, muziejų ir archyvų saugomą turinį į vieną skaitmeninto kultūros paveldo infrastruktūrą portale epaveldas.lt.
Deja, patį bibliotekos pastatą ekspertai pripažino avariniu. Rekonstrukcija truko ilgiau nei aštuonerius metus (2008–2016). Projekto autoriai – „Jungtinės architektų dirbtuvės“, interjero dizaineriai – „2XJ“ architektai. Iš naujo atgimęs istoriškai ir architektūriškai reikšmingas ir išskirtinis objektas už rekonstrukciją ir interjero sprendinius jau pelnė ne vieną apdovanojimą: nominantas (viešųjų erdvių kategorija) – tarptautiniame architektūros ir dizaino konkurse „Idea-Tops 2017“ (Kinija); I vieta (įgyvendintas visuomeninis interjeras) – nacionaliniame konkurse „Geras dizainas 2017“; laimėtojas (viešosios paskirties projektas) – dienraščio „Lietuvos rytas“ konkurse „Mano erdvė’17“; aukso medalis – „Lietuvos metų gaminys 2016“.
2016 m. rugsėjo 2 d. įvyko atnaujintos bibliotekos atidarymo iškilmės. Lankytojų teigimu, po rekonstrukcijos iš esmės pasikeitusi biblioteka išgyvena renesansą.
2017 m. spalio mėn. bibliotekoje atidarytas Valstybingumo centras. Jo tikslas – skatinti visuomenės poreikį pažinti šalies valstybingumo istorinę raidą ir šiuolaikinės modernios valstybės kūrimo procesus, prisidėti prie demokratinių vertybių įtvirtinimo ir pilietinės visuomenės kūrimo. Čia, be kitų originalių dokumentų, saugomi pirmojo faktinio Lietuvos vadovo Vytauto Landsbergio dovanoti leidiniai ir dokumentai.
Šiandien Nacionalinė biblioteka išsiskiria naujuoju veiklų deriniu. Ji dirba pagal originalų pačių susikurtą veiklos modelį, kurį galima įvardyti kaip gyvosios žmonių bibliotekos (angl. life library) modifikuotą koncepciją.
2019 m. Nacionalinė biblioteka minėjo veiklos šimtmetį.
Dėl daugiabriaunių veiklų ir įvykių biblioteka tapo labai intensyvia ne tik informacine, bet ir visuomenine, kultūrine erdve ir ėmėsi naujo vaidmens – išsiveržus iš klasikinio, tradicinio bibliotekos lauko būti vieta vienyti, socializuoti, šviesti ir komunikuoti. Tai yra Nacionalinės bibliotekos indėlis ir į Lietuvos kultūrinę diplomatiją, ir į socialinio kapitalo kūrimą bei konkurencinio pranašumo didinimą skaitmeniniame pasaulyje.
