1. Giai đoạn trước năm 1968:
2. Giai đoạn từ năm 1968 đến trước 30/04/1975:

KHÁM LỚN SÀI GÒN
3. Giai đoạn sau ngày 30/04/1975 đến năm 1990
Sau 30/04/1975, Thư viện Quốc Gia Sài Gòn đổi tên thành Thư viện Quốc Gia II trực thuộc Bộ Văn hóa theo quyết định số 1018/VH/QĐ ký ngày 01/11/1976. Thư viện đã tiếp nhận được nguồn bổ sung tài liệu phong phú của Thư viện Quốc gia Việt Nam, Thư viện Khoa học Kỹ thuật Trung Ương, Thư viện kết nghĩa Hòa Bình.

Xe thư viện lưu động (có trước năm 1975)
Vốn tài liệu của thư viện được bổ sung phong phú và đa dạng từ nhiều nguồn. Ðặc biệt thư viện có bộ sưu tập khá đầy đủ xuất bản phẩm in ở Ðông dương cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, các tài liệu xuất bản trong vùng tạm chiếm, những năm chống Pháp và Mỹ (1954-1975); một số tài liệu quý hiếm trải qua thời gian phục vụ đã giòn nát cần phải có chế độ bảo quản đặc biệt.
Các hoạt động chuyên môn được duy trì cho đến ngày nay như là: công tác thông tin-thư mục: làm thư mục chuyên đề, thư mục địa chí TP. Hồ Chí Minh, bản tin phục vụ lãnh đạo, mục lục liên hợp sách tạp chí, mục lục liên hợp sách xuất bản của các tỉnh phía Nam, thường xuyên tổ chức các cuộc triển lãm sách theo chuyên đề nhân các ngày Lễ, cung cấp tài liệu cho các TV tỉnh làm thư mục địa chí, thư mục chuyên đề. Về nghiệp vụ, thư viện là nơi tổ chức và thực hiện các khóa đào tạo, bồi dưỡng nghiệp vụ, hội thảo chuyên đề cho các thư viện cơ sở và thư viện các tỉnh. Trong quan hệ trao đổi, thư viện là đơn vị ký gởi (deposit library) của UNESCO (1987-1993), Ngân hàng thế giới (WB),Tổ chức Lương Nông Quốc tế (FAO), Trung tâm Nguyên tử lực Quốc tế (IAEA), có quan hệ nghiệp vụ với hơn 43 thư viện và cơ quan thông tin, trường đại học của 16 quốc gia, thông qua đó, hàng năm thư viện nhận được số tài liệu nước ngoài trị giá hàng trăm triệu đồng, trong đó có nhiều tài liệu quý cho công tác nghiên cứu.
4. Giai đoạn đẩy mạnh tự động hóa thư viện (từ 1990 đến nay)

Năm 1990 Thư viện tiến hành tự động hóa một số chức năng trong thư viện, bắt đầu bằng việc xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) đọc bằng máy, cung cấp việc tìm tin trên máy, tự động hóa công tác văn phòng, giúp công việc của các phòng chức năng được cập nhật, thông suốt và hiệu quả hơn.
Năm 1996 mạng tin học của ngành thư viện công cộng toàn quốc được thiết lập. Thư viện được giao trách nhiệm là trung tâm mạng khu vực phía Nam, thực hiện các dịch vụ như email, truyền các tập tin cho thư viện tỉnh và truy cập vào CSDL của Thư viện Quốc gia.
Tự động hóa cũng được ứng dụng để bảo quản vốn tài liệu bằng cách chuyển dạng tài liệu, nhằm tăng khả năng truy nhập vào những tài liệu cũ, giòn nát.
NHỮNG HOẠT ĐỘNG VÀ DỊCH VỤ MỚI CỦA THƯ VIỆN ĐƯỢC MỞ RỘNG THÊM:
- Năm 1993 “Tập san Thông tin Thư viện phía Nam” ra đời do Thư viện chịu trách nhiệm chủ biên hoạt động cho đến nay, định kỳ xuất bản 2 số/ năm.
- Năm 1995: thư viện thành lập phòng Đa phương tiện (Multimedia) đầu tiên nhằm phục vụ nhu cầu thông tin đạng điện tử, phim ảnh, … Dự án được Tổng Lãnh sự quán Pháp tài trợ thiết bị gồm máy tính cấu hình mạnh, ti vi và đầu máy.
- Năm 1998 – nay, thư viện tổ chức hội thi “Nét vẽ xanh” hàng năm.
- Phòng đọc Khiếm thị khánh thành ngày 23/09/ 1999 nhân dịp kỷ niệm 54 năm ngày Nam bộ kháng chiến.
- Studio sản xuất sách nói được hình thành với sự hỗ trợ của FORCE FOUNDATION (Hà Lan) vào năm 2003 (studio 1) vào năm 2005 (studio 2).
- 18/01/2007 ra mắt xe “Thư viện Internet lưu động” đầu tiên của Việt Nam. Đây là dự án do thư viện xây dựng được sự tài trợ của Tập đoàn điện tử LG thông qua tổ chức AmCham – United Way điều phối. Mục tiêu chính của thư viện là “Xóa đói thông tin – Xóa mù công nghệ”.

- 24/02/2007 khánh thành Thư viện Lý Tự Trọng phục vụ thiếu niên nay được đổi tên là Phòng đọc Thanh thiếu niên.
- 20/10/2007 khánh thành xe Thư viện lưu động cho người khiếm thị, dự án do FORCE Foundation Hà Lan và ngân hàng Standard Chartered tài trợ.

- 09/03/2012 khai trương phòng đọc sách Hán Nôm.
- Tháng 8/2013 khánh thành Trung tâm số hóa và chuyển dạng tài liệu, đây là lĩnh vực đang được thư viện chú trọng đầu tư nhằm từng bước xây dựng thư viện điện tử, dự án được nhà nước đầu tư.
- 06/11/2013 khai trương góc đọc sách điện tử trên máy tính bảng.
- 15/05/2014 khánh thành xe Thư viện lưu động – Bánh xe tri thức (Words on wheels) dự án được Quỹ Quốc tế Singapore tài trợ.

- Hướng dẫn nghiệp vụ cho hệ thống 24 thư viện quận huyện trực thuộc.
Trong mỗi bước phát triển của thành phố, TVKHTH Tp.HCM luôn nỗ lực để đảm đương các vai trò:
- Thư viện trung tâm của thành phố có nhiệm vụ xây dựng, bảo quản và tổ chức khai thác vốn tài liệu về mọi lĩnh vực cả trong và ngoài nước.
- Trung tâm văn hóa, dùng sách báo tuyên truyền, giáo dục đường lối, chính sách của Ðảng, pháp luật của Nhà nước cho đối tượng sử dụng thư viện.
- Trung tâm thông tin hỗ trợ học đường và nghiên cứu bằng việc tổ chức tốt các dịch vụ, nguồn lực và phương tiện của thư viện để đáp ứng các nhu cầu đa dạng từ việc nâng cao dân trí, hỗ trợ sinh viên, hỗ trợ các học giả, các nhà nghiên cứu thực hiện các đề tài có chiều sâu, đầu tư vào các lĩnh vực chuyên ngành và sáng tạo kiến thức mới đến việc cung cấp kịp thời các thông tin chính xác và hữu dụng cho người sử dụng.
- Thư viện trung tâm chịu trách nhiệm xây dựng, chỉ đạo thực hiện, phát triển mạng lưới thư viện nội ngoại thành, thúc đẩy phong trào đọc sách ở cơ sở.
- Cơ quan hỗ trợ về chuyên môn nghiệp vụ cho thư viện các tỉnh phía Nam.
- Một trong những đầu mối quan hệ quốc tế trong lĩnh vực thư viện thông tin để trao đổi tài liệu, nâng cao nghiệp vụ, tiếp cận với việc ứng dụng công nghệ tin học trong lĩnh vực thư viện.