Свою историю ЛОУНБ ведет с 11 октября 1918 года, когда на заседании библиотечной комиссии, созданной при отделе народного образования, было принято решение подыскивать помещение для Центральной библиотеки и взять на учет городские библиотеки. В их число входили библиотеки Петровского общества распространения научных и практических знаний, дирекции курорта Липецких Минеральных вод, Союза торгово-промышленных служащих, частные библиотеки Н. В. Тимановской (впоследствии была преобразована в детское отделение Центральной библиотеки), а также собрания книг частных лиц.

18 октября комиссия определила здание, подходящее для размещения в нем библиотеки и музея – бывший магазин, принадлежавший гр. Лысых. В начале ноября началась работа с фондом: «изъятие книг, могущих ослаблять или притуплять коллективное сознание пролетариата», а также выделение дублетной литературы для устройства районных и передвижной библиотек. Разрабатывалась и утверждалась новая систематизация фондов и каталогов. 12 ноября библиотечная комиссия рассматривала вопросы «устройства Центральной библиотеки, учета стягиваемых библиотек, выдачи книг из Центральной библиотеки, времени работы Центральной библиотеки и музея».

Библиотека находилась в подчинении отдела народного образования Липецкого исполкома уездного Совета рабочих и крестьянских депутатов. Организационной работой занимались врач, создатель Петровского общества распространения научных и практических знаний М. П. Трунов, инструктор отдела народного образования С. Ф. Радецкий, владелица частной библиотеки Н. В. Тимановская, Н. Г. Косюра. Первым заведующим до 20 мая 1919 года был С. Ф. Радецкий, до октября 1919 года – И. Н. Москвин. С 1919 года введено коллегиальное управление Центральной библиотекой: в состав правления входили заведующий библиотекой, представители от отдела народного образования, культурно-просветительной коллегии исполкома профессионального союза, школьных работников г. Липецка и представитель от партии коммунистов.

Первоначально библиотека занимала площадь 13 кв. сажен и 3 кв. аршина. С 1922 года она размещалась в 2-этажном доме, штат ее составлял 3 человека. С июля 1923 года уездный отдел народного образования объединил вокруг Центральной библиотеки всю библиотечную работу города и уезда. С августа 1924 года при Центральной библиотеке действовали библиотечный совет и библиотечное объединение. Фонд библиотеки на 1 января 1936 года насчитывал 26 200 томов, в год читателям выдавали 35 460 книг, штат библиотеки состоял из 4 человек. 15 мая 1941 года Центральная библиотека переехала в новое, специально для нее построенное здание, рассчитанное на 75 тысяч томов. В марте 1944 года это здание было отдано горкому ВКП(б), а библиотека переехала в здание горкома партии, в котором она находилась до 1964 года (ул. Фрунзе, 7). Площадь здания составляла 365 кв. м. Штат библиотеки состоял из 8 человек, в структуру входили три подразделения: отдел комплектования, абонемент и читальный зал.

Новый этап развития библиотеки начался в 1955 году. 6 января 1954 года Указом Президиума Верховного Совета СССР из окраинных районов Рязанской, Воронежской, Курской и Орловской областей была образована Липецкая область, и уже 25 апреля 1955 г. исполнительный комитет Липецкого областного Совета депутатов трудящихся утвердил решение № 361 о реорганизации Липецкой городской библиотеки в областную. Тем же решением имущество Липецкой городской библиотеки, книжные фонды и здание по улице Фрунзе (дом 7) были переданы областной библиотеке, а областное управление культуры должно было принять «меры к укомплектованию библиотеки квалифицированными библиотечными кадрами».

В 1950-х годах в фонд библиотеки поступили уникальные издания из резервных фондов библиотек Москвы, Ленинграда, Центрального Черноземья, городов и районов Липецкой области. В 1963 году библиотека переехала в новое здание по адресу ул. Кузнечная, 2, где располагается и сегодня.

В 1998 году был выделен сектор редких и ценных книг, с 2014 года действует Региональный центр по работе с книжными памятниками Липецкой области. С 1992 года наряду с традиционными карточными каталогами и картотеками библиотека формирует электронный каталог. С февраля 2000 года библиотека имеет доступ в Интернет.

С 2003 года работает официальный сайт библиотеки. Перевод его на новую технологическую платформу (2011) позволил сотрудникам активизировать работу по созданию электронных ресурсов собственной генерации и внедрить online-сервисы (виртуальная справочная служба, online-продление литературы, удаленная доставка документов и др.). Новая АБИС «OPAC-Global» с 2009 года обеспечивает широкий доступ пользователей к библиографическим ресурсам на основе web-технологий. В 2021 году ЛОУНБ награждена Дипломом I степени за победу во Всероссийском открытом конкурсе-практикуме «Лучший сайт организации сферы культуры и искусства-2021».

Липецкая областная универсальная научная библиотека – центр библиотечного краеведения. С 1955 года в библиотеке ведется сводный краеведческий каталог, ежегодно выходит в свет указатель «События и даты Липецкого края», создаются печатные и электронные краеведческие ресурсы о природе, истории, культуре, о выдающихся уроженцах и деятелях Липецкого края, проводятся мероприятия, объединяющие краеведческую общественность города.

На сегодняшний день в библиотеке создана система электронных краеведческих ресурсов собственной генерации: «Знаменитые люди Липецкой области», «Липецкая область в поэзии и живописи», «Литературная карта Липецкой области», «Память Вечного огня», «Промышленная карта Липецкой области», «События и даты Липецкого края: календарь», «Экологическая карта Липецкой области», «Электронная библиотека Липецкой области». По охвату представленной информации эту систему совершенно точно можно назвать электронной энциклопедией Липецкой области.

Развитие информационно-коммуникационных технологий отразилось и на комплектовании документного фонда библиотеки. Электронные ресурсы локального и удаленного доступа стали неотъемлемой частью библиотечного фонда: Национальная электронная библиотека (НЭБ), Электронный читальный зал Президентской библиотеки имени Б. Н. Ельцина, Электронная библиотека диссертаций РГБ, научная электронная библиотека eLIBRARY, справочная правовая система «КонсультантПлюс», информационно-правовая система «Гарант» и другие. В ЛОУНБ действует Центр поддержки технологий и инноваций.

С 2012 года население региона обслуживает комплекс информационно-библиотечного обслуживания (КИБО), работающий не только как мобильная библиотека, но и как выставочный зал, консультационный и образовательный центр, площадка для проведения семинаров, мастер-классов и презентаций, общественная приемная и центр предоставления государственных услуг населению, центр технического обеспечения проведения массовых мероприятий.

Сегодня ЛОУНБ – самая крупная библиотека Липецкой области с богатыми книжными фондами, полным репертуаром местной печати, методический центр для библиотек региона и центр библиотечного краеведения, площадка для проведения научных, познавательных, культурных и развлекательных мероприятий. Библиотека имеет собственный брендбук, сайт lib48.ru, аккаунты в социальных сетях.

Руководителями библиотеки в разное время были известные в библиотечном мире специалисты: Е. А. Фенелонов (1955-1961; впоследствии начальник Управления библиотек Министерства культуры РСФСР, заместитель директора Государственной библиотеки СССР им. Ленина, заслуженный работник культуры РФ), С. Е. Ляхова (1961-1967; впоследствии директор ЦБС г. Липецка, заслуженный работник культуры РФ), К. Н. Сухинина (1967-2008; заслуженный работник культуры РФ, награждена орденом «Знак Почета», знаком отличия «За заслуги перед Липецкой областью»), Л. В. Паненкова (2008-2020, заслуженный работник культуры Липецкой области).

В соответствии с постановлением администрации Липецкой области от 9 июня 2020 года № 348 Липецкая областная универсальная научная библиотека реорганизована путем присоединения к ней Липецкой областной детской библиотеки, Липецкой областной юношеской библиотеки и Липецкой областной специальной библиотеки для слепых.

С 2021 года директор библиотеки – Анна Вячеславовна Волкова.