成立于清宣统元年（1909年11月），名为云南图书馆。宣统三年，馆内设立博物陈列所，改名为云南图书博物馆。1929年，更名为云南省立国学图书馆。1931年，改称云南省立昆华图书馆。1950年5月，云南省人民政府将云南教育总会等机构的图书并入，成立云南省昆明人民图书馆。1951年9月，更名为云南人民图书馆。1953年10月，改称云南省图书馆。1991年，经云南省人民政府批准，决定在原址上建设云南省图书馆新馆。2004年，现馆舍大楼正式开放，建筑面积3.26万平方米，设有18个阅览室和报告厅、多功能厅等，可同时接待读者4000多人。2023年，云南省图书馆新馆建设项目列入云南省政府工作报告，正式启动实施。
云南省图书馆隶属云南省文化和旅游厅，属公益一类事业单位。加挂国家数字（智慧）图书馆云南分馆、中国盲文图书馆云南分馆、云南省古籍保护中心牌匾。目前全馆设有办公室、党群人事工作部、财务科、采编部、典藏借阅部、历史文献部、地方文献部、参考咨询部、数字资源与信息技术部、培训研究部、宣传策划部、后勤安保部等12个内设机构。
截至2024年3月，馆藏纸质文献414万册（件）。其中，馆藏珍贵古籍极为丰富且颇具特色，古籍善本达1851种20466册，有133部古籍入选《国家珍贵古籍名录》，《护国司南抄》、《元官藏》、《钱氏族谱言行纪略》等典籍弥足珍贵，堪称“镇馆之宝”。
一是深化免费开放服务工作。从2011年起，实现无障碍、零门槛进入，所提供的基本服务项目全部免费，公共空间设施场地全部免费开放。年均举办200余次线上、线下各类讲座培训展览、600余次全民阅读推广暨公共文化服务活动。
四是组织开展全省古籍保护工作。作为全省古籍保护中心，在全省范围开展古籍普查、修复、数字化等工作，被命名为全国古籍保护工作先进单位、国家级古籍修复中心、国家古籍修复技艺传习中心云南传习所，创新建成云南典籍博物馆和集陈展、培训、研习、体验于一体的“古籍修复保护传拓研习馆”。在迪庆州图书馆、楚雄州图书馆、西双版纳州图书馆挂牌设立藏文、彝文、傣文古籍保护研究服务中心，并被国家古籍保护中心授予“国家级藏文古籍修复基地和技艺传习中心（云南）”，“古籍修复技艺”成功入选云南省第五批省级非物质文化遗产代表性名录。
由于工作成绩突出，自2009年以来，连续四次在全国公共图书馆评估定级中被评为“一级图书馆”。