Областная библиотека была образована 2 июня 1946 года. Постановлением Совета Министров РСФСР от 27 июня 1947 года здание, расположенное на Сталинградском проспекте (сейчас проспект Мира 9/11), было передано Комитету по делам культурно-просветительных учреждений для организации работы областной библиотеки.
Здание было построено в 1929-1930 годах в стиле конструктивизма по проекту немецкого архитектора Роберта Либенталя для Прусского государственного архива. В настоящее время является памятником архитектуры регионального значения.
После Второй мировой войны здание было восстановлено, с 1948 года в нём началось обслуживание читателей. В то время фонд составлял 20 000 томов, в 5 отделах библиотеки работали 16 сотрудников.
Книжный фонд библиотеки формировался на основе поступлений из обменных фондов библиотек Москвы, Ленинграда, других библиотек СССР. Небольшую часть фонда составили книги из библиотек Кёнигсберга.
Первым директором был назначен участник Великой Отечественной войны, выпускник Харьковского государственного института культуры Иван Алексеевич Бурма, который возглавлял библиотеку с июня 1946 по июль 1974 года.
В конце 40-х-начале 60-х годов ХХ века шла работа по становлению и развитию Калининградской областной научной библиотеки как главного информационно-библиотечного, методического и координационного центра для библиотек региона, включая библиотеки других систем и ведомств.
С первых дней существования библиотеки создавались и развивались подразделения, обслуживающие не только жителей Калининграда, но и других населенных пунктов области. Формировались научно-методический отдел, система межбиблиотечного абонемента, обменно-резервный фонд.
Библиотека принимала непосредственное участие в организации библиотечной сети в регионе: в подборе, обучении и повышении квалификации специалистов, комплектовании библиотечных фондов. Долгие годы при библиотеке работал учебно-консультационный пункт Ленинградского государственного института культуры им. Н. К. Крупской по подготовке библиотекарей и культпросветработников высшей квалификации для Калининградской области, республик Прибалтики, Белоруссии.
С 1974 по 1983 годы директором библиотеки была Таисия Савельевна Киселёва, с 1984 по 1987 годы – Нина Александровна Петриковец. В эти годы библиотека была координатором централизации государственных массовых библиотек путём создания на базе городов и районов области библиотечных объединений с общим штатом, единым фондом, централизованным комплектованием и обработкой литературы. Формировались специализированные отделы по обслуживанию работников сельского хозяйства, нотно-музыкальный сектор, отдел по работе с литературой на иностранных языках. Несколько лет на базе библиотеки работала всесоюзная лаборатория по внедрению новой библиотечно-библиографической классификации (ББК) в практику работы библиотек страны.
С 1987 по 1993 годы Калининградской областной универсальной научной библиотекой руководила Людмила Петровна Кашаева. В 1993 году началась работа по внедрению информационных технологий в практику работы библиотек области на основе единого программного обеспечения, методических и технологических разработок областной библиотеки.
В 1994-2017 гг. библиотеку возглавляла «Заслуженный работник культуры Российской Федерации» Нина Александровна Рузова.
С ноября 2017 года директором Областной научной библиотеки назначена Елена Валерьевна Кошемчук.
В настоящее время библиотека активно и динамично развивается: количество читателей достигло 23 тысяч, фонд составляет свыше 700 тысяч книг, аудиовизуальных и электронных документов, 400 наименований периодических изданий. На сегодняшний день в библиотеке работает около 70 библиотечных работников. В ее структуре более 16 отделов, информационных центров и секторов. Ежегодные посещения библиотеки превышают 100 тысяч. Ежегодно пользователи библиотеки получают около 30 тысяч справок.
Сегодня Калининградская областная научная библиотека – региональный библиотечный, информационный, просветительский и методический центр.
В последние годы ряд традиционных отделов претерпел важные изменения.
Создан отдел обслуживания, объединивший читальный зал, абонемент и сектор регистрации читателей и библиотечной статистики. Стал залоговым абонемент. Это позволило практически исключить потерю книг в результате читательской задолженности, создать максимальный уровень сохранности книжного фонда и своевременный возврат наиболее спрашиваемой литературы в библиотеку, расширить перечень книг, выдаваемых на дом, за счет изданий из фондов отделов книгохранения, читального зала, других структурных подразделений.
Был создан Центр регионоведения. В структуре Центра – архив местной печати, собирающий издательскую продукцию региона с 1947 года; крупнейший в регионе фонд краеведческой литературы, фонд редких книг, рукописей и специальных коллекций.
В фонде редких книг и специальных коллекций есть оригинальные издания русской книги XVIII-XX веков, репринтные, факсимильные, миниатюрные и высокохудожественные издания, многие из которых обладают ценностью раритета, издания XIX века по истории Пруссии и Кёнигсберга, книжные коллекции деятелей культуры региона.
Центр регионоведения ведет большую информационно-библиографическую, издательскую деятельность. В 2006 г. на базе библиотеки было образовано Калининградское отделение Историко-Родословного Общества (ИРО) в Москве.
Большую работу по правовому просвещению населения проводит Центр правовой информации. К услугам его посетителей – печатные издания нормативно-правовых документов, официальные периодические издания, справочно-правовые системы «Гарант», «Консультант», «Техэксперт». При отделе работает бесплатная юридическая консультация, проводятся мероприятия по формированию правосознания населения.
Активно развивается информационно-библиографический отдел, выполняющий тысячи сложнейших справок не только на основе традиционных носителей информации, но и с использованием электронных баз данных, ресурсов Интернет. В отделе работает виртуальный читальный зал Российской государственной библиотеки, предоставляющий жителям региона возможность работать с полнотекстовой Электронной библиотекой диссертаций, Национальной электронной библиотекой, другими полнотекстовыми базами данных. С 2009 года внедрена новая форма обслуживания удаленных пользователей – виртуальная справочная служба, развиваются электронная доставка документов и межбиблиотечный абонемент.
С 2015 года библиотека работает над созданием Полнотекстовой электронной библиотеки.
В отделе литературы по искусству помимо фонда книг, нот активно формируется медиатека.
Областная научная библиотека является методическим центром. Сотрудники библиотеки участвуют в разработке концепций и программ развития библиотечного дела на территории Калининградской области, собирают статистические данные и анализируют состояние библиотечного обслуживания населения, занимаются повышением квалификации библиотекарей, оказывают консультационную и практическую помощь библиотекарям.
Библиотека ведет большую просветительскую работу. Проводятся выставки, литературно-музыкальные вечера, семинары, презентации книг, встречи с интересными людьми; работают лектории по психологии, философии, истории искусства и литературы, кружки по изучению иностранных языков, организуются экскурсии по литературным местам Калининграда. Библиотека является координатором ежегодных Дней литературы в Калининградской области, Дней славянской письменности и культуры, Пушкинских дней.
Библиотека является участником международных проектов: Международной библиотечной философской школы, конференций и семинаров библиотек Польши, Литвы, Швеции, Дании.