1632.a. asutas Rootsi kuningas Gustav II Adolf Tartus ülikooli, mis tegutses 1632-1656 Academia Gustaviana ja 1690-1710 Academia Gustavo-Carolina nime all. Ülikooli juurde kuulus ka u. 3300-köiteline raamatukogu, mis pärast ülikooli tegevuse katkemist 1710. a. evakueeriti Rootsi, kus selle põhiosa 1717. a. ühendati Stockholmi Kuningliku Raamatukoguga. Enamiku sellest raamatukogust moodustasid u. 2700 Rootsi diplomaadile N. Gyldenstolpele kuulunud raamatut, mis viimane kuningas Karl XI korraldusega kinkis 1690.a. Academia Gustavo-Carolina'le.

Tartu Ülikooli Raamatukogu peab oma sünniaastaks siiski 1802. aastat, mil Tartus taasavati ülikool. Ülikooli esimese allasutusena alustas juuni algul tegevust raamatukogu u. 4000 trükisest koosneva koguga. Raamatukogule panid aluse annetustena saabunud krahvinna M. A. v. Lestocq'i (sünd. paruness v. Mengden) rohkem kui 350 köiteline kogu 1800. aastast, suurvürst Konstantin Pavlovitshi Peterburi Marmorpalees asunud raamatukogu (682 köidet), mis esialgselt oli kuulunud Aleksander I-le ning ostudena J. G. v. Loewenwolde Ropka mõisa 1137- köiteline raamatukogu ja J.F. Ungern-Sternbergi ligi 900-köiteline kogu. Raamatukogu esimene direktor oli kõnekunsti, klassikalise filoloogia, kirjandus- ja kunstiajaloo professor Johann Karl Simon Morgenstern (1770-1852), kes oma  37 tegevusaasta jooksul komplekteeris rikkaliku ja tervikliku fondi. Raamatukoguhooneks ehitati ümber Toomemäel asuva Toomkiriku varemete kooriosa, mis avati 1806.a. Toomkiriku ruumes tegutses  raamatukogu 1982. aastani, mil koliti üle hoonesse W. Struve t. 1.

Tartu Ülikooli Raamatukogu komplekteeriti algusest peale kindlate põhimõtete järgi: raamatuid hinnati nende teadusliku väärtuse järgi, osteti ainult õppe- ja teadustööks vajalikku kõikidel ülikoolis õpitavatel aladel, perioodika hankimisel püüti vältida lünki, uudisteoste kõrval muretseti ka vanemaid raamatuid antikvariaatidest. 1818. a. sai raamatukogu Saksamaal asutatud ülikoolide väljaannete vahetusühingu Tauschverein der deutschen Universitätsschriften liikmeks. Raamatuid muretseti peamiselt Saksamaalt, kasutati Leipzigi kirjastaja ja raamatukaupmehe P. G. Kummeri teenuseid. 1883. aastast vahetati publikatsioone ka Prantsusmaa ülikoolidega Service des echanges de thèses et publications academiques kaudu. Sajandi lõpuks sõlmiti vahetussidemed teistegi Lääne-Euroopa, Jaapani ja USA ülikoolidega. Raamatute vahetus muutus eriti intensiivseks 1893. aastast, mil hakkasid ilmuma Tartu ülikooli toimetised. Nii kujunes raamatukogu terviklikuks universaalse profiiliga koguks, mis on olnud avatud kogu lugevale avalikkusele.

I maailmasõja ajal, aastail 1915-1917 evakueeriti suurem osa (kokku 1810 kasti) raamatukogu varadest Voroneži, Nižni-Novgorodi ja Permi, kus raamatud seisid lahti pakkimata, kuni nad 1920.-1921. a. vastavalt Nõukogude Venemaa ja Eesti Vabariigi vahel sõlmitud Tartu rahulepingule 2. 02.1920. Tartusse tagasi toimetati, Iseseisva Eesti Vabariigi tingimustes hakkas Tartu Ülikooli Raamatukogu oma direktori Friedrich Puksoo (1890-1969) juhtimisel täitma ka rahvusraamatukogu funktsioone. A-st 1919 saadi Eestis ilmuva kirjanduse sundeksemplarid, mille alusel koostati iga kuu ilmuvat registratsioonibibliograafiat "Eesti raamatute üldnimestik" (1924-1939).

Nõukogude okupatsioon tõi alates 1940.aastast suuri muutusi raamatukogu töös: peaasjalikult asuti nüüd komplekteerima nõukogude kirjandust ja suures eksemplaarsuses õpikuid ning ühiskondlik-poliitilist kirjandust. 1946. aastast alates sai raamatukogu NSV Liidu venekeelse tasulise sundeksemplari ülikooli profiili kuuluvatelt aladelt. Lääne-Euroopas ilmunud kirjanduse osakaal juurdekasvus vähenes. II maailmasõja järel rakendati töös nõukogude raamatukogunduse printsiipe ja töömeetodeid (nõukogude võimu jaoks keelatud raamatute hoidmiseks asutati erihoid jne.). Nõukogude perioodil kasvasid fondid jõudsalt (peamiselt siiski suure eksemplaarsuse arvel). 1958.a. nimetati raamatukogu teaduslikuks raamatukoguks, seoses sellega suurenes koosseis, avardusid võimalused bibliograafia- ja teadustööks, kujundati välja restaureerimisosakond. Regulaarselt hakkasid ilmuma raamatukogu publikatsioonid, toimuma teaduskonverentsid, seminarid.

Seoses "raudse eesriide " purunemisega 1980-ndate aastate lõpul ja Eesti taasiseseisvumisega 1991.a. leiavad raamatukogus aset suured muutused – endisest raamatute kogust peab saama nõudliku lugeja kõiki vajadusi rahuldav informatsioonikeskus.

Raamatukogu praegune hoone avati lugejatele 22. veebr. 1982.a.  Lisaks teatme- ja valdkonnasaalidele on majas ka fonoteek, näitusteruum, individuaaltööruumid. Konverentsikeskus pakub konverentsiteenust. 1992.aastast on raamatukogu EL dokumentatsioonikeskus.
29. novembril 1994. a. sisestati esimesena Eesti raamatukogudest esimene kirje oma arvutikataloogi INGRID jaoks. Alates 1999.aastast on raamatukogus kasutusel elektrooniline infosüsteem INNOPAC.