Библиотека основана декретом Петра I, хотя сам декрет до наших дней не дошёл и датой основания считается сентябрь1714 года — начало выдачи читателям книг из библиотеки[2].
Первая государственная общедоступная библиотека России. Основу её фонда составили рукописи и книги Кремлёвской царской библиотеки в Москве, личного собрания Петра I в Летнем дворце, Аптекарского приказа, Готторпской библиотеки герцогов Голштинских, Митавской библиотеки герцогов Курляндских, а также книжные и рукописные коллекции сподвижников Петра I, общим количеством около 2000 книг.
Начиная с XVIII века в фонды библиотеки поступали коллекции частных лиц — историка В. Н. Татищева, славистов А. И. Яцимирского и И. И. Срезневского, купца Ф. М. Плюшкина, слависта и исследователя старообрядчества В. Г. Дружинина и многих других. С 1901 года по инициативе хранителя отделения славянских рукописей библиотеки В. И. Срезневского начались археографические экспедиции по России для сбора рукописей и старопечатных книг у населения, которые существенно обогатили рукописные фонды БАН.
В 1718 году библиотека была размещена в «Кикиных палатах», а с 1728 года — в том здании, где сейчас располагается Кунсткамера (вместе с Кунсткамерой и Академией Наук). Во время переезда в Кикины палаты фонды Библиотеки насчитывали примерно 6 000 томов, к концу 1719 года было уже около 10 000 томов. Согласно первому изданному каталогу 1744 года фонд Библиотеки насчитывал около 16 000 книг на русском и иностранных языках, а к концу 1747 года было 22 300 изданий[3].
Во время нахождения библиотеки в здании кунсткамеры произошёл пожар, уничтоживший Готторпский глобус и башню здания[4]. Кроме этого, сгорело более 2000 иностранных книг и 44 издания на русском языке.
После восстановительных работ, работа библиотеки возобновилась: в 1790-х годах в библиотеке числилось 40 тыс. томов книг и рукописей, в 1836 году — 90 тысяч, в 1848 году было 112 753 экземпляра, а в 1862 году числилось 243 109 единиц хранения.
8 января 1901 года из-за ветхости системы отопления в Библиотеке произошёл пожар, во время которого погибло более 1500 томов ценных изданий. Это событие ускорило решение вопроса о строительстве нового здания для Библиотеки. В 1910 году была утверждена правительственная смета на строительство нового здания Библиотеки на Биржевой улице, в 1914 году строительство было закончено, но из-за начавшейся Первой мировой войны оно было передано военному министерству, которое разместило в нём 166-й сводный эвакуационный госпиталь. Библиотека въехала в это здание только в 1925 году.
К 1917 году книжный фонд Библиотеки Академии наук превысил 1,5 млн томов, из них в Славянском отделе числилось 112 тысяч томов. После февральской революции, закрытия монастырей и изъятия церковного имущества, а также многочисленных частных коллекций, к 1924 году суммарный книжный фонд Библиотеки составил 3,5 млн томов. В 1934 году Академия Наук была переведена в Москву, где было создано Московское отделение Библиотеки Академии наук (МОБАН) СССР. В 1973 году это отделение было преобразовано в Библиотеку по естественным наукам.
14—15 февраля1988 года в библиотеке произошёл пожар, уничтоживший большое число редких книг и часть газетного фонда.
В 20:13 14 февраля было зафиксировано возгорание на третьем этаже — в газетном фонде Библиотеки. Пожарные части справились с огнём к двум часам ночи, но в половине пятого утра 15 февраля пожар возобновился на четвертом и пятом этажах. Всего пожар продолжался около 10 часов. В тушении приняли участие около 40 пожарных команд города. Сгоревшие конструкции и материалы разбирали несколько недель. Пострадали книги XVII века, научные книги начала XX века, особенно «Фонд Бэра», отдел иностранной литературы. Газетный фонд выгорел почти полностью. Отдел редкой книги не пострадал. В общей сложности:
полностью сгорело 400 тысяч книг, из которых 188 тыс. — на иностранных языках;
безнадёжно испорчены 500 тысяч;
залиты водой 6 миллионов;
пострадали от сырости 7,5 миллионов и 10 тысяч — от плесени;
По уточнённым данным пожар, охвативший 22 хранилища, уничтожил 298 061 экземпляр монографий и периодических изданий, 20 640 подшивок (треть газетного фонда); от воды и плесени пострадали 3,6 млн документов. Самой большой потерей была гибель 152 245 экземпляров иностранных изданий до 1930 года выпуска и фонд академика Карла Бэра, составлявший около 62 тысяч книг.
В статье «Горькие мысли после пожара» в марте 1988 года Дмитрий Лихачёв подверг резкой критике руководство Библиотеки и Ленинградского научного центра АН СССР, заявив, что сразу после пожара они вели себя «по „модели“, заданной ошибками Чернобыльской катастрофы, то есть пытались преуменьшить культурный ущерб самым грубым образом»[5].
За первые десять лет после пожара было отреставрировано всего 900 книг. Тысячи книг находились в специальных боксах, защищающих их действия влаги и света. В ликвидации последствий пожара важная роль принадлежит Питеру Уотерсу[англ.] — международному эксперту и главному специалисту Отдела консервации Библиотеки Конгресса. В 1994 году Библиотека завершила документальную проверку фондов, составила списки утрат и списки на восполнение фондов. Вследствие предпринятых мер удалось восполнить потерю 62 % отечественных книг и 8 % изданий из коллекции Бэра[6].
Бронированный фонд академических изданий
Начиная ещё с 1746 года в Библиотеку регулярно стали передаваться по 2 экземпляра каждого издания, позже, количество дубликатов возросло настолько, что в XIX их бронировалось по 700 единиц каждого названия. Научные издания из Академии наук рассылались по всей Европе — в Лондон, Париж, Рим, Дрезден, Копенгаген. В 1919 году Конференция Академии наук постановила: «Не продавать в одни руки более одного экземпляра и прекратить отпуск того или иного издания, раз его остается менее 200 экземпляров и не выдавать в обмен и дар, раз запас изданий не превышает 150 экземпляров». В 1927 году около 2 тыс. излишков экземпляров было отправлено для передачи Немецкой библиотеке.
В 1930 году по распоряжению Президиума Академии наук был образован Бронированный фонд академических изданий Академии наук — специальное резервное архивное книгохранилище. 20 марта 1944 года Бронированный фонд был переведён в состав Библиотеки Академии наук, на тот момент фонд насчитывал 327 133 экземпляров.
В 1963 году было принято решение о комплектовании Бронированного фонда семью экземплярами изданий Академии наук и выдаче только из излишков.
В начале 2000-х годов совокупный фонд отдела превышал 2.5 млн томов (720 тыс. — в Академическом собрании и более 1.8 млн в Бронированном фонде)[7].
В 2004 году Библиотека Российской академии наук отметила свой 290-летний юбилей. В честь этого события 28 сентября 2004 года малой планете № 30722, имевшей предварительное обозначение 1976RN5, было присвоено имя «Biblioran»[8].
В 2014 году Библиотека Российской академии наук отметила свой 300-летний юбилей[9].