Las primeras propuestas de creación de una biblioteca nacional en México se deben a José María Luis Mora, Valentín Gómez Farías (1833) y José María Lafragua (1846). En 1856 Ignacio Comonfort, como presidente de la república sustituto, respaldó con un decreto la formación de la Biblioteca y en 1857 se destinó el edificio de la Universidad para alojar los que serían sus fondos, libros procedentes de las bibliotecas de los conventos, bajo el cuidado de José Fernando Ramírez. Durante el gobierno de Maximiliano de Habsburgo se proyectó, sin éxito, una biblioteca imperial. Los intentos se volvieron realidad al restaurarse la república, el 30 de noviembre de 1867, cuando el presidente Benito Juárez expide el decreto de creación de la Biblioteca Nacional en el extemplo de san Agustín. A José María Benítez se le encomendó el traslado de los libros al edificio y José María Lafragua fue nombrado director, cargo que dejó al poco tiempo, para que Joaquín Cardoso asumiera la ardua labor de formar el acervo.
La transformación del templo llevó varios años. En 1880, tras la muerte de Cardoso, José María Vigil quedó al frente de la institución y los trabajos de adaptación avanzaron con mayor celeridad, de suerte que la Biblioteca Nacional de México (BNM) fue inaugurada el 2 de abril de 1884, con una gran y solemne ceremonia. El edificio del viejo templo de san Agustín constaba de un salón principal vigilado por 16 estatuas de grandes autores de la literatura y del pensamiento universal. En 1885, el general Porfirio Díaz expidió el primer reglamento de la BNM, y en 1899, Francisco del Paso y Troncoso asistió como representante de México a la Junta Internacional de Bibliografía Científica, promovida por la Royal Society de Londres, y consiguió el apoyo de Vigil para que se estableciera en la Biblioteca Nacional el Instituto Bibliográfico Mexicano, cuya misión consistía en formar la bibliografía general del país. Estos empeños, que rindieron valiosos frutos, como las bibliografías de Vicente de P. Andrade y Nicolás Léon, se suspendieron hacia 1909, con la muerte de José María Vigil. Francisco Sosa tomó entonces el timón de la Biblioteca hasta 1912.
Durante la Revolución mexicana se sucedieron varios directores, entre los que destacan Rogelio Fernández Güell (1912-1913), Luis G. Urbina (1913-1914) y Martín Luis Guzmán (1915). De 1920 a 1926 ocupó el cargo Manuel Mestre Ghigliazza; le siguen por periodos cortos Joaquín Méndez Rivas y Esperanza Velázquez Bringas, hasta la llegada de Enrique Fernández Ledesma (1929-1936).
En 1929 el gobierno puso la BNM formalmente bajo la administración de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), que ese año obtuvo su autonomía. Una década más tarde, de 1941 a 1947, José Vasconcelos dirigió la Biblioteca y durante su gestión, en 1944, se estableció la Hemeroteca Nacional de México en el extemplo de san Pedro y san Pablo, y quedó a cargo de Rafael Carrasco Puente. Juan B. Iguíniz fungió como director de la BNM de 1947 a 1956, etapa en la que debió ser cerrada a causa de los graves problemas que presentaba el inmueble, razón por la cual, en esos años, se le encargó al arquitecto Juan O’Gorman que diseñara un edificio dentro del gran proyecto de construcción de la Ciudad Universitaria, para que albergara el acervo de la BNM; como se sabe, la obra se llevó a cabo, pero finalmente fue destinada para la Biblioteca Central. En el lado poniente de este edificio, en los ángulos superiores se aprecian las iniciales BN y HN: las primeras sobre un libro dentro de una estrella, y las segundas en un rollo de pergamino, ambas encerradas en sendos círculos.
Bajo la dirección de Manuel Alcalá (1956-1965) se reanudaron las labores en el extemplo de san Agustín en 1963, y los trabajos de investigación bibliográfica cobraron impulso. Durante la gestión de Ernesto de la Torre Villar, con motivo de una reestructuración de la investigación en la UNAM, en 1967 se creó el subsistema de Humanidades, en el que fue instalado el Instituto de Investigaciones Bibliográficas (IIB), con el objetivo de dirigir y coordinar las labores de la BNM y de la HNM, además de hacer investigaciones especializadas en Bibliografía Mexicana. De esta manera, De la Torre Villar se convirtió en el primer director del IIB, de 1967 a 1978.
En 1979, al conmemorarse el cincuentenario de la autonomía universitaria y siendo directora del Instituto María del Carmen Ruiz Castañeda (1978-1990), se inauguró el edificio financiado por el gobierno federal para la BNM en el Centro Cultural Universitario y donde, desde entonces, se ubica. Durante la gestión de José G. Moreno de Alba (1991-1999) se construyó un nuevo edificio anexo denominado Fondo Reservado, con el fin de trasladar todas las colecciones más antiguas que permanecían en el centro de la ciudad y otras especiales; fue inaugurado en 1992 y el año siguiente comenzó a prestar servicio. En 2001, con Vicente Quirarte (1999-2008) al frente del Instituto, comienzan los procesos de digitalización del acervo, para mejorar los servicios bibliotecarios y preservar los materiales documentales físicos, labor que consolida la directora Guadalupe Curiel (2008-2016). Desde 2011 la Hemeroteca Nacional Digital de México (HNDM) y la Biblioteca Nacional Digital de México (BNDM) permiten atender la demanda de consulta a distancia. En 2016, bajo la dirección de Pablo Mora, se forma un equipo multidisciplinario de la UNAM, encargado de elaborar el proyecto del Centro de Preservación Documental, ubicado en el campus universitario de la UNAM en Juriquilla, Querétaro.
La Ley General de Bibliotecas, publicada en el Diario Oficial de la Federación el 1o. de junio de 2021, establece que la “Biblioteca Nacional de México es la Institución que resguarda el acervo patrimonial y que tiene como finalidad integrar, organizar, preservar y facilitar la consulta. Está constituida por los materiales publicados en el país recibidos desde 1850 a través del Depósito Legal, la compra y la donación. Es custodiada por la Universidad Nacional Autónoma de México desde el año de 1929”, y se señala que es una de las instituciones receptoras del Depósito Legal que considera, además de la entrega de libros, revistas y periódicos impresos, las publicaciones en formato electrónico o digital.