Ιδρύθηκε το 1829 και αρχικά λειτούργησε στο Εθνικό Μουσείο της Αίγινας. Το 1832, με ειδικό διάταγμα, χωρίζεται από το Μουσείο και λειτουργεί ως Δημόσια Βιβλιοθήκη και το 1834 μεταφέρεται στην Αθήνα, όπου γίνονται και οι πρώτες δωρεές. Από το 1843 και βάσει του νόμου 880 του ιδίου έτους, γίνεται υποχρεωτική η αποστολή δύο αντιτύπων για κάθε ελληνική έκδοση. Μαζί με τη Δημόσια Βιβλιοθήκη, αρχίζει το 1838 η λειτουργία της Βιβλιοθήκης του Πανεπιστημίου. Η Βιβλιοθήκη αυτή ενώνεται το 1842 με τη Δημόσια και το 1866 με βασιλικό διάταγμα οι δύο βιβλιοθήκες συγχωνεύονται και μετονομάζονται σε Εθνική Βιβλιοθήκη.

Στις 16 Μαρτίου 1888, τίθενται τα θεμέλια του νέου κτιρίου, βάσει των σχεδίων του Δανού αρχιτέκτονα Χάνσεν, μετά από δωρεές των τριών αδελφών Βαλλιάνου. Το Μάη του 1903, υπογράφεται το Πρακτικό Παραδόσεως και η Εθνική Βιβλιοθήκη μεταφέρεται στο τότε καινούριο κτίριο της οδού Πανεπιστημίου, όπου βρίσκεται μέχρι και σήμερα.

Από το 1920, η Εθνική Βιβλιοθήκη χαρακτηρίζεται δημόσια υπηρεσία και υπάγεται διοικητικώς στο υπουργείο Παιδείας. Επιχορηγείται από το υπουργείο με ετήσιο προϋπολογισμό, στον οποίο προβλέπονται και οι δαπάνες για την προμήθεια βιβλίων από το εξωτερικό. Κατά καιρούς, εξέχουσες προσωπικότητες των ελληνικών γραμμάτων διατέλεσαν έφοροι της Εθνικής Βιβλιοθήκης.

Μερικοί από τους θησαυρούς που φυλάσσονται στην Εθνική Βιβλιοθήκη της Ελλάδας είναι: Υπάρχουν τουλάχιστον τρία εκατομμύρια τόμοι βιβλίων. Μεταξύ αυτών, είναι το αρχείο των Ελλήνων αγωνιστών του '21, το οποίο περιλαμβάνει πρωτότυπες χειρόγραφες επιστολές του Υψηλάντη, του Κοραή, του Καραϊσκάκη, του Κολοκοτρώνη και αναλογούν συνολικά περίπου σε 100.000 κομμάτια. Περιλαμβάνεται το πρωτότυπο της Χάρτας του Ρήγα Φεραίου, η πρώτη Γραμματική του Κωνσταντίνου Λάσκαρη (1476), η οποία είναι και το πρώτο ελληνικό βιβλίο που τυπώθηκε, καθώς και σπάνιες εκδόσεις τυπογράφων του 14ου και 15ου αιώνα (Αλδου, Φρόβεν, Ελζεβίρ και άλλοι). Ακόμα, φυλάσσονται περίπου 200.000 ιστορικά έγγραφα, όπως χρυσόβουλα Βυζαντινών αυτοκρατόρων, πατριαρχικά σιγίλια, δικαιοπρακτικά έγγραφα από την εποχή της Τουρκοκρατίας, καθώς επίσης και Ευαγγέλια των 9ου, 10ου και 11ου αιώνα και πολλές άλλες συλλογές.