Knihovna Národního technického muzea má dlouholetou tradici. Vznikla postupným spojením tří významných knihoven, a to vlastní knihovny NTM, knihovny Jednoty k povzbuzení průmyslu v Čechách (Průmyslová jednota) a knihovny Spolku inženýrů a architektů (SIA).

S jejím budováním bylo započato již při založení muzea v roce 1908. Stejně jako archiv byla již tehdy chápána jako důležitá samostatná složka muzea, která měla nejen doplňovat a umožňovat činnost sbírkových skupin, ale i shromažďovat a uchovávat technickou literaturu pro potřeby badatelů a veřejnosti. Proto muzeum od počátku budovalo knihovny dvě – příruční a hlavní. Příruční knihovna měla obsahovat základní díla o celkovém vývoji techniky a průmyslu i jednotlivých průmyslových odvětvích a měla tak sloužit pro vnitřní potřeby muzea. Hlavní knihovna měla obsahovat odborné knihy a časopisy ze všech technických oborů a sloužit pro potřeby širšího okruhu zájemců.

Samotná knihovna byla původně umístěna společně se sbírkami ve Schwarzenberském paláci. Její základ ale postupně vzrůstal různými dary, odkazy i dílčími nákupy tak, že kolem roku 1920 dosáhl počtu cca 12 000 svazků. Mezi první dárce patřil například Ing. J. Štěp, správce horního úřadu v Jáchymově, který daroval muzeu velmi cenný spis Ch. A. Schlütera „Gründlicher Unterricht von Hütte-Werken“ z roku 1738 a položil tak základní kámen ke sbírce starých tisků. Po 1. světové válce začaly do knihovny přispívat jako dárci též přední průmyslové závody jako Breitfeld, Daněk & spol., Škodovy závody a další. Z důvodu nedostatku místa a ve snaze soustředit všechny pražské technické knihovny na jednom místě muzeum rozhodlo o přestěhování své hlavní knihovny v roce 1919 do Havelského kláštera na Starém Městě, kde byla tehdy umístěna i knihovna Průmyslové jednoty. Zde byl fond knihovny jako samostatný celek zpracován a zpřístupněn veřejnosti. Zároveň došlo mezi oběma institucemi ke smlouvě, podle níž by měly být obě knihovny sloučeny a společně s knihovnou Spolku inženýrů a architektů by měly vytvořit ústřední technickou knihovnu v Praze. To se nakonec nepodařilo a ke spojení došlo až v 50. letech.

Na významu mezitím začala nabývat také příruční knihovna, umístěná do té doby v kanceláři muzea a založená pro vnitřní potřebu ústavu. Obsahovala prameny zachycující vývoj přírodních věd, techniky a průmyslu, mezi něž patřily vzácné tisky, odborné knihy a časopisy, životopisy vynikajících technických tvůrců a vynálezců apod. Po dokončení nové budovy na Letné se počátkem 50. let příruční knihovna muzea přestěhovala do nových prostor, zatímco původní hlavní knihovna muzea zůstala společně s Průmyslovou jednotou v nevyhovujících prostorách v paláci Kinských na Staroměstském náměstí, kam se v roce 1935 přemístila z Havelského kláštera. Po likvidaci Průmyslové jednoty jakožto organizace v roce 1950 byla její knihovna definitivně přičleněna ke knihovně NTM a stejně tak o dva roky později i knihovna Spolku inženýrů a architektů. Včleněním knihovny Jednoty k povzbuzení průmyslu v Čechách získalo muzeum velmi cenný fond, který svou velikostí, množstvím unikátů a starých tisků daleko převyšoval význam původní muzejní knihovny. Knihovna Průmyslové jednoty byla založena již v roce 1835 a po celé 19. století sloužila jako jediná veřejná technická knihovna v Praze. V druhé polovině 19. století, kdy se do čela Průmyslové jednoty dostali i představitelé českých průmyslových a obchodních kruhů, začala knihovna shromažďovat nejen technickou literaturu, ale i národohospo­dářskou a ekonomickou, která byla důležitá pro poznání rozvoje řemeslné a průmyslové výroby.

Spojení těchto knihoven tak ve své době položilo základ k vybudování jedné z největších specializovaných odborných knihoven u nás. Přesto však k fyzickému sloučení obou fondů knihovny NTM došlo až v roce 1972, kdy po uvolnění a dostavění depozitáře v 1. patře východního křídla muzejní budovy bylo možné přestěhovat knihovnu bývalé Průmyslové jednoty z Paláce Kinských na Letnou. V 90. letech pak knihovna převezla do svých depozitářů knižní fond vzniklý ze svozů v 50. letech a uložený v depozitáři v Invalidovně. Současně převzala několik tisíc svazků odborné literatury z rušených podniků a ústavů jako byly například Královodvorské železárny, SURPMO, České loděnice apod.

Knihovna systematicky obohacuje svůj fond nákupem odborných publikací tematicky zaměřených na stěžejní obory NTM. S rozvojem informačních technologií stále více rozvíjí spolupráci s ostatními knihovnami – například Národní knihovnou, Národní technickou knihovnou, knihovnami Uměleckoprůmys­lového musea, Národního muzea, Vojenského historického ústavu, Národní galerie, knihovnami ČVUT, VŠCHT, VŠUP, AVU atd. Již několik let Knihovna NTM spolupracuje se Souborným katalogem ČR, je zapojena v Jednotné informační bráně, v bráně TECH a od roku 2007 spolupracuje na vzniku a dalším rozvoji Oborové brány umění a architektura ART.

Knihovna prošla v uplynulých letech stejně jako celá budova muzea rozsáhlou rekonstrukcí. Kromě studovny a kancelářských prostor došlo k zásadním změnám v depozitářích knihovny. Historický depozitář byl vybaven klimatizační jednotkou a knihy jsou uloženy v nových kompaktních regálech, což vše výrazně zkvalitnilo uložení historického knižního fondu. Uživatelům je k dispozici nově vybavená studovna, rozšířená o volný výběr publikací nejen encyklopedického charakteru, ale i o základní literaturu ke stěžejním oborům muzea. Knihovna NTM je znovu otevřena pro veřejnost od září 2014.