Бібліотека існує з 1817 року і була організована, як бібліотека Рішельєвського ліцею - першого на півдні вищого навчального закладу. Одні з перших книг для бібліотеки ліцею були придбані на гроші, які пожертвував новому навчальному закладу в Одесі генерал-губернатор Новоросійського краю герцог Рішельє. На ці кошти (15 тис. франків) у Франції були придбані книги грецькою, латинською та французькою мовами. Після перетворення Рішельєвського ліцею в Новоросійський університет ( в 1865 році ) ліцейська бібліотека увійшла до складу університету як фундаментальна бібліотека.
За період свого 190-річного існування Наукова бібліотека ОНУ пройшла ряд етапів. У 1920 році-вона "Головна бібліотека вищої школи", що очолювала мережу місцевих вузівських бібліотек. З 1923 по 1930 рік функціонувала як "Центральна наукова бібліотека м.Одеси", обслуговуючи всіх науковців міста. Пізніше, з 1930 по 1933 рік була адміністративно злита з Одеською публічною бібліотекою під загальною назвою "Одеська державна наукова бібліотека". І, нарешті, з відновленням університетів на Україні в 1933 році відродилась як університетська і увійшла в структуру Одеського державного університету як одна з його складових частин. З 1976 року НБ - міський методичний центр вузівських бібліотек м.Одеси, а з 1987 - одержує статус Зональної наукової бібліотеки і здійснює допомогу і методичне керівництво 37 бібліотеками вузів півдня України.

Сьогодні фонд бібліотеки нараховує близько 4 млн. примірників. Це унікальне зібрання джерел інформації, що включає: книги, брошури, періодичні видання, видання на електронних носіях тощо. 

Виняткове науково-культурне значення мають 13 іменних колекцій, які заповіли університету видатні вчені, державні діячі, ректори, професори.

 Виняткову цінність має відділ періодики, що становить 60% всього фонду. Завдяки науковості та універсальності своїх фондів НБ ОНУ сьогодні є одним із найважливіших соціальних інститутів в регіоні.

 Щорічно близько 55 тис. читачів користуються послугами 12 спеціалізованих читальних залів та 13 абонементів.

Як науково - дослідна установа університету (Постанова Ради Народних Комісарів № 198 від 14 лютого 1945 року) бібліотека займається науковою роботою. Вона направлена на вивчення фонду бібліотеки, інформаційне розкриття колекцій рідкісних та цінних видань, краєзнавчі студії, біографічні дослідження, пов'язані з історією університету, та їх бібліографічне забезпечення, участь у створенні національної бібліографії України та Державного реєстру книжкових пам'яток України. 

Одним із пріоритетних напрямків діяльності Наукової бібліотеки Одеського національного університету імені І. І. Мечникова - перехід на нові технології формування та використання інформаційних ресурсів. В бібліотеці 80 комп'ютерів та 2 сервера. Комп'ютеризовано внутрішні бібліотечні процеси, діють читальні зали Інтернет та електронний каталог, впроваджена система автоматизованого обслуговування, діє електронне замовлення. Бібліотека використовує комп'ютерну бібліотечну програму Лібер-Медіа.