同济大学创建于1907年，随后相继设立藏书楼、阅览室、图书室等。1934年正式建立同济大学图书馆。经过多次的搬迁与重建，至1990年建成现在的四平路校区图书馆（扩建后面积22225平方米）。1996年上海城市建设学院与上海建筑材料工业学院并入同济大学，2000年与上海铁道大学合并，设沪西校区图书馆（面积7188平方米），2006年嘉定校区图书馆建成（面积34620平方米），2016年德文图书馆成立（面积2853平方米），同济大学博物馆划归至图书馆管理（4430平方米）。2018年建立嘉定远程书库。现在的图书馆由四平路校区图书馆、嘉定校区图书馆、医学图书馆沪西校区、医学图书馆沪北校区、德文图书馆、同济大学博物馆组成，总面积75323平方米，各校区间使用统一的集成管理系统并实行通借通还，2004年实行一门式管理，2018年实现智能化自助借还书服务。
同济大学图书馆拥有丰富的馆藏资源，目前拥有纸本图书460余万册，纸质中外文现刊600多种。电子图书及学位论文约2171万册，中文电子期刊约86万册，外文电子期刊约124万册。除此之外，图书馆还订购了各种知名的大型综合性数据库、各类权威的专业学会出版物全文数据库。同济大学图书馆坚持“读者第一，服务至上”办馆宗旨，开展文献流通阅览、电子阅览、国内外馆际互借、参考咨询、信息素养教研、科技查新、学科服务、情报分析与研究、知识产权信息服务等，并开展多元文化活动，全方位服务全校师生，为教学和科研服务，同时为兄弟院校和社会提供文献信息服务。
同济大学图书馆是国际图书馆协会联合会（IFLA）的团体会员、中国高等教育文献保障系统（CALIS）成员馆、上海地区文献资源共享协作网成员馆，上海外文图书联合目录平台首批成员馆，是教育部批准的首批“科技项目咨询与成果查新中心工作站”。1993年被上海市教委评为A级图书馆。2004年同济大学图书馆加入上海市中心图书馆。2018年成立同济大学知识产权信息服务中心，成为首批国家高校知识产权信息服务中心。
同济大学图书馆设有机构：资源建设与管理部、读者服务部（四平路校区）、读者服务部（嘉定校区）、医学图书馆、工科学科服务部、理科学科服务部、文科学科服务部、咨询与情报服务部、闻学堂、文榷堂、德文图书馆、同济大学博物馆、系统管理部、办公室。
