沈阳市图书馆建于1908年（清光绪三十四年）,始称奉天省城图书馆，是我国近代史上最早的公共图书馆之一。几经迁移、更名，1953年定名为沈阳市图书馆。2005年6月1日，位于沈阳市青年大街205号的沈阳市图书馆新馆建成开放。新馆坐落于风景秀丽的科普公园之中，毗邻繁华的青年大街，交通十分便利。馆舍为造型独特的生态建筑，占地1.3万平方米，建筑面积4万平方米。1998年以来，沈阳市图书馆在历次的文化部评估中均被定级为一级馆。
沈阳市图书馆现藏文献500余万册（件）。古籍中汇刻丛书比较丰富，东北地方史料较为完整。镇馆之宝为清末民初吴廷燮写本《明实录》，是国内尚存唯一的一部较完整的写本明代史料长编，还有《古今图书集成》、《百川学海》、《经训堂丛书》、《雅雨堂丛书》等大型丛书、类书百余部及清光绪末年修纂的辽、吉、黑三省各县乡土志等。
沈阳市图书馆实行全年免费开放。现有各类阅览室、多功能报告厅、展览厅、音乐厅、电影厅等空间。全馆阅览座位千余个。设有119个图书分馆和流动站。日接待到馆读者4000余人次，最高时超过万人次。年均外借书刊100万余册次。网站年点击率700余万次。
积极打造第三文化空间，创建服务品牌。开创了“星期六剧场”，与社会专业、业余团体合作，开展小型话剧、音乐、戏曲等演出，深受读者观众的喜爱，央视《新闻联播》节目曾在2014、2015年连续两次给予肯定性报道。各种公益讲座、培训、展览等活动，主题鲜明，形式多样，内容饱满，参与人数众多，社会反响强烈。形成了“星期六剧场”、“辽海讲坛沈图讲座”、“沈图文学作品赏析”、“沈图国学讲座”、“闹新春过大年”系列活动、“老年公益培训”等服务品牌。
沈阳市图书馆设有综合办公室、业务办公室、数字化中心、采编部、典藏部、外借部、报刊部、分馆办、信息咨询部、社会培训部等10个部门。