Львівська національна наукова бібліотека України імені В. Стефаника постала як одна з найбільших книгозбірень України шляхом об’єднання націоналізованих радянською владою громадських, приватних та інших бібліотек на теренах Львова та західного регіону України. До її складу, зокрема, увійшли зібрання й колекції Наукового товариства ім. Шевченка, “Народного дому”, Національного інституту ім. Оссолінських, частини фондів бібліотеки-музею “Ставропігіон”, Товариства “Просвіта”, монастирів, національних товариств (вірменського, єврейського), приватних збірок (власники яких часто були репресовані НКВС) та ін. Спершу установа функціонувала як Львівська філія Бібліотеки Академії наук УРСР (Постанова Ради Народних Комісарів УРСР “Про організацію наукових установ в західних областях УРСР” від 2 січня 1940 р.).
Центральним приміщенням бібліотеки визначили будинок закладу “Оссолінеум”. На базі колишніх бібліотек Баворовських, “Народного дому” й НТШ створено, відповідно, відділи мистецтва (тепер — Інститут досліджень бібліотечних мистецьких ресурсів), стародруків і раритетів (тепер — рідкісної книги), української літератури (тепер — україніки).
Перед початком Другої світової війни фонд книгозбірні нараховував близько 2 млн. од. зб. У її стінах працювали відомі знавці книги, фахівці колишніх львівських бібліотек ― А. Ґенсьорський, М. Деркач, М. Штеліга. Значну роль в організації бібліотеки відіграли вчені, як-от: М. Возняк, В. Дорошенко, Ю. Полянський, К. Студинський, В. Щурат, І. Крип’якевич. Від літа 1940 р. почав діяти спеціальний відділ, т. зв. “спецфонд”, створений з метою вилучення з фонду бібліотеки української та іншомовної літератури ― “ідеологічно ворожої” для радянської влади. Частину вилучених видань за наказами органів цензури було знищено. Цей відділ розформовано у 1991-1993 рр., а видання включено до основного фонду книгозбірні.
Після зайняття Львова німецькими військами німецька влада, ліквідувавши Львівську філію Бібліотеки Академії наук УРСР, створила Державну бібліотеку Staatsbibliothek Lemberg, до складу якої увійшли наукові бібліотеки м. Львова (Університету, Політехніки, Медичного інституту, Педагогічної). Впродовж усього періоду німецької окупації тривало пограбування бібліотеки, зокрема великою втратою стало вивезення оригіналів гравюр А. Дюрера (24 аркуші). У 1954 ця колекція була розпродана на аукціоні. У 1944 році до Кракова було вивезено найцінніші збірки книг, рукописів, стародруків (300 інкунабул) та понад 2 тис. мистецьких творів. Частину фонду, в т. ч. цінну колекцію рукописної україніки, яку 1946 р. виявили у Нижній Сілезії, так і не повернуто бібліотеці. Тепер значна частина архівних документів із зібрань Бібліотеки НТШ знаходяться у Польщі: у Національній бібліотеці у Варшаві та Національному закладі ім. Оссолінських у Вроцлаві.
Бібліотека зазнала втрат і в повоєнні роки. За наказами радянського уряду, в рамках “передачі історичних і культурних цінностей польського народу Тимчасовому Урядові Національної Єдності Польської Республіки”, впродовж 1945-1947 рр. до Польщі вивезено понад 217 тис. одиниць зберігання, в т. ч. рукописів і стародруків, що складало 70 % фонду “Оссолінеуму”, а також цінний архів Івана Вагилевича. Такі “передачі” до Польщі здійснювались і пізніше (остання ― у 1987 р.). У 1949 р. десять тис. томів було передано до Бібліотеки АН СРСР (Москва).
Велику кількість цінних особових фондів українських літераторів і вчених у 1950-х рр. було забрано до Києва (архіви Івана Франка, Лесі Українки, Олени Пчілки, О. Маковея, А. Крушельницького та інших ― до Інституту літератури НАНУ; збірки В. Гнатюка та Етнографічної комісії НТШ ― до Інституту мистецтвознавства, фольклору та етнографії НАНУ; збірки Ф. Вовка ― Інституту археології НАНУ, Греко-католицької митрополичої консисторії ― до ЦНБ ім. В. Вернадського).
За свою багатолітню історію бібліотека змінювала підпорядкування. Впродовж 1963-1969 рр. книгозбірня входила до системи Міністерства культури УРСР та мала назву Львівська державна наукова бібліотека Міністерства культури УРСР.
На виконання постанови Центрального Комітету КП України і Ради Міністрів Української РСР “Про заходи по поліпшенню діяльності Академії наук УРСР” книгозбірню включено до системи Академії наук УРСР. З цього часу інституція неодноразово змінювала назву. Від 1969 р. ― Львівська державна наукова бібліотека АН УРСР, від травня 1971 р. ― Львівська наукова бібліотека імені В. Стефаника АН УРСР, з 1994 р. ― Львівська наукова бібліотека імені В. Стефаника НАН України.
10 квітня 2008 року указом Президента України бібліотеці надано звання національної, залишивши її у підпорядкуванні НАН України, і тепер вона іменується ― Львівська національна наукова бібліотека України імені В. Стефаника.
Статус науково-дослідного інституту Бібліотеці надано у 1989 р. Львівська національна наукова бібліотека України імені В. Стефаника виконує функції науково-методичного центру для бібліотек інститутів Західного наукового центру НАН України та МОН України.
У різні роки бібліотеку очолювали директори: Зайкін Я. І. (січень–травень 1940), Зеленко І. Н. (травень 1940 – червень 1941), академік АН УРСР Щурат В. С. (1944–1948), Одуха А. З. (1948–1957), Кирилов Й. М. (жовтень 1951 – січень 1952), Іванців Є. М. (1957–1971), Машотас В. В. (листопад 1971 – червень 1974), Стасюк Є. М. (1974–1984), канд. тех. наук Лізанець М. В. (1985–1991), д-р іст. наук Крушельницька Л. І. (грудень 1991 – квітень 2003), чл.-кор. НАН України Романюк М. М. (квітень 2003 р. – жовтень 2017 р.). Від березня 2018 р. ― канд. пед. наук Ферштей В. В.
