1919年3月，圖書館獨立館舍（今舊禮堂東側）落成，建築面積2114平方米，同時遷入新館舍，更名為清華學校圖書館。
1928年，學校改為國立清華大學，圖書經費劇增，藏書逐年增加，館舍不夠使用，於1930年3月開始擴建館舍（即今天的中西部舊館），1931年11月竣工，建築面積增至7700平方米，可容納圖書30萬冊，閱覽座位700余座。建校後，圖書館委員會作為學校常務委員會之壹成立。與此同時，大部分院系也建立了自己的圖書館。
1935年10月至1936年9月，著名文學家朱自清教授擔任圖書館委員會主席兼代理館長。到抗戰前夕，館藏書刊已極為豐富，達36萬余冊。1937年，七七事變後，學校被迫南遷。
1938年4月，清華大學、北京大學、南開大學在昆明成立國立西南聯合大學。清華圖書館運抵昆明的圖書達23000余冊。在運抵過程中，暫存重慶北碚的1萬余冊圖書遭到日軍轟炸，損失慘重，僅余余燼3000余冊。
抗日戰爭勝利後，清華大學遷回北京清華園。1946年復校時，圖書館已面目全非。抗戰期間，日軍將圖書館用作外科病房，書庫用作手術室和藥庫。在此期間，藏書損失超過 17.5 萬冊。到解放前夕，藏書僅剩41萬冊。
1948年12月15日，隨著清華大學的解放，圖書館重新走上了健康發展的道路。
1952年國家教育體制改革，清華大學由綜合性大學調整為工科大學，所有文科、理科和部分工科院系被調整到其他院校，有關圖書資料也被調出，1958年****，向外調撥圖書18萬余冊。但幸運的是館藏的30萬冊珍貴古籍和甲骨文、青銅器等壹批珍貴文物，在時任校長蔣南翔的指示下被保留了下來。為適應院系調整後清華大學成為多科性工科大學對教學和科研的需要，圖書館對館藏結構進行了調整和改造，重點收藏工科類圖書。與此同時，圖書館積極收藏馬列主義經典著作和進步文藝作品，到1966年，藏書已發展到135萬余冊。
十年 "文革 "期間，圖書經費大大壓縮，許多珍貴的書刊被停購，造成了無法彌補的損失。所幸的是，由於全校師生員工和圖書館工作人員的竭力保護，使現有藏書沒有遭受大的損失。
1978年中共十壹屆三中全會以後，教育戰線迅速發展。清華大學自上世紀70年代末開始進行學科調整，逐步恢復理科、文科等院系，重新擴建為綜合性大學。隨著學校學科布局的調整和規模的不斷擴大，圖書館藏書的種類和數量也有了很大發展，到1990年已達250萬冊（件）。
進入九十年代後，清華大學圖書館迎來了歷史上最好的發展機遇。1991年9月，由香港邵逸夫先生捐資、國家教委撥款興建的新圖書館落成，並命名為邵逸夫館。新圖書館由清華大學管兆業院士設計，與老圖書館合二為壹，曾獲全國各類優秀建築獎。新館建成後，圖書館建築總面積達 27820 平方米，閱覽座位 2800 多個。20 世紀 90 年代，圖書館在自動化、網絡化建設方面取得了長足進步。逐步建立了較為先進和完善的信息基礎設施。先後引進了 ILIS 和 INNOPAC 圖書館綜合管理系統，通過網絡提供館藏中外書刊目錄的公共 **** 查詢，圖書館的采購、編目、期刊管理、流通等業務工作在 INNOPAC 的管理下進行；建立了光盤網絡查詢系統，通過校園網為全校師生提供文獻信息檢索服務。1998 年以來，圖書館在大力發展電子資源的同時，不斷增加紙質館藏，形成了以自然科學、工程科學文獻為主體，兼有人文、社會科學、管理科學文獻，包括中外文圖書、期刊報紙、音像制品、計算機文件等在內的多類型、多載體的綜合館藏體系。截至2003年底，館藏總量已超過300萬冊（件），文摘索引二級文獻已基本覆蓋學校現有學科，中外文學術全文電子期刊25000余種。
圖書館擁有寬敞明亮的閱覽室16個，閱覽座位2000余個，每周開放時間84小時，實行開架借閱壹體化服務，為師生提供了良好的閱讀和學習環境。圖書館是學校校園網三大核心交換節點之壹，具有良好的網絡應用環境。普通閱覽室配備了大量網絡端口和計算機終端，大部分公共****，實現了無線上網。讀者可以在這裏方便地查詢館藏信息和使用各類專業數據庫。圖書館提供 24 小時不間斷的網絡信息服務。學校的教師和學生可以在校園網的任何客戶端上自由訪問各種數據庫資源或自主預約和續借圖書。隨著計算機的廣泛應用，信息參考咨詢工作日益活躍。圖書館開設了多種信息素質教育課程，為學校師生提供各種電子資源等各類培訓。實行學科館員制，密切與院系的聯系，針對師生教學、科研的需要，積極主動地開展服務工作。成立了信息服務中心，提供課題研究、論文咨詢、代查代檢等服務。師生還可通過館際互借和文獻傳遞服務，從國內外圖書館獲取信息資源。1999 年以來，學校先後建立了人文學院分館、經濟管理學院分館、法學院分館、建築學院分館、藝術學院分館等專業分館。這些分館的館藏全部實現了與學校圖書館綜合管理系統的對接，在統壹的平臺上為讀者提供服務。圖書館還開展了多項數字圖書館課題研究。
伴隨著清華大學建設世界壹流大學的步伐，清華大學圖書館正朝著建設研究型、數字化、開放文明的現代化圖書館的目標邁進。