Trova la sua origine dalla biblioteca privata di Antonio Magliabechi, costituita da circa 30.000 volumi, lasciata nel 1714, secondo il suo testamento, “a beneficio universale della città di Firenze”. Per incrementare la nascente Biblioteca nel 1737 fu stabilito per decreto che vi fosse depositato un esemplare di tutte le opere che si stampavano a Firenze e dal 1743 in tutto il Granducato di Toscana. Nel 1747 fu aperta per la prima volta al pubblico con il nome di Magliabechiana. Unita nel 1771 alla raccolta Palatina, fu arricchita da numerosi lasciti e doni, a cui si aggiunsero poi le librerie ex monastiche incamerate a seguito delle soppressioni delle corporazioni religiose. Nel 1861 venne unificata con la grande Biblioteca Palatina ed assunse il nome di Biblioteca Nazionale e dal 1885 l’appellativo di Centrale. Dal 1870 riceve per diritto di stampa una copia di tutto quello che viene pubblicato in Italia.
Originariamente la Biblioteca ebbe sede in locali che facevano parte del complesso degli Uffizi; nel 1935 fu trasferita nella sua sede attuale, costruita, a partire dal 1911, su progetto dell’architetto Cesare Bazzani e successivamente ampliata dall’architetto V. Mazzei. L’edificio, uno dei rari esempi di edilizia bibliotecaria, fa parte dell’area monumentale del complesso di Santa Croce.