Den Grundstock der Darmstädter Bibliothek bildet die Büchersammlung des Landgrafen Georg I. (1547 – 1596), die dieser nach der Teilung Hessens bei Regierungsantritt (1567) von Kassel mit nach Darmstadt brachte. Das Jahr 1568, in dem die ersten Bücherkäufe des Landgrafen zur Erweiterung dieser Sammlung belegt sind, wird als Begründungsdatum der Darmstädter Hofbibliothek angenommen. Zwei heute noch erhaltene Kataloge mit Eintragungen aus den Jahren 1586 bis 1595 geben Auskunft über die Zusammensetzung der Bibliothek Georgs I.
Die Sammlung wurde planmäßig und systematisch vermehrt.
Georg II. (1605 – 1661) ordnete in den ersten Jahren seiner Regierungszeit erstmals die Ablieferung von Pflichtexemplaren aus der Landgrafschaft an die Hofbibliothek an. Nach dem Tod Ludwigs IV. von Hessen-Marburg (1604) waren zwischen Hessen-Darmstadt und Hessen-Kassel Erbstreitigkeiten um das Marburger Gebiet entstanden, die erst mit dem Ende des 30jährigen Krieges beigelegt werden konnten: Das Marburger Gebiet blieb bei Kassel, das Gießener bei Darmstadt. Aus diesem Grund gehört es auch heute noch zum Pflichtbereich der Darmstädter Bibliothek.
1685 fand die Hofbibliothek in den drei Zimmern des oberen Geschosses im Glockenbau erstmals geschlossen Aufstellung. Ihr erster Bibliothekar wurde 1692 Johann Balthasar Moscherosch. 1717/18 erfolgte die Neuaufstellung und Katalogisierung der Sammlung durch Johann Philipp Jung.
Den größten Zuwachs und ihre Glanzzeit erlebte die Bibliothek unter Ludwig X., dem späteren ersten Großherzog von Hessen-Darmstadt (1753 – 1830). Ludwig setzte sich u.a. durch den gezielten Erwerb von Privatbibliotheken für die Vermehrung des Bibliotheksbestandes ein. Zudem fällt in die Zeit seiner Regentschaft die Säkularisation von 1803, durch die eine Reihe von Klosterbibliotheken in die Hofbibliothek gelangten. Diese Bestände wurden durch die Sammlung des Kölner Barons Johann Wilhelm Adam Hüpsch (1750 – 1805) ergänzt, die als Vermächtnis nach dessen Tod 1805 an Ludwig fielen. Sie enthielt mehr als 4000 Druckwerke, die Hüpsch aus klösterlichem Besitz an sich gebracht hatte.
1817 öffnete sich die Hofbibliothek für das Publikum. Nach dem Willen Ludwigs sollte sie ein einheitliches Ganzes bilden. Mit der dafür notwendigen grundlegenden Neuordnung und Neuaufstellung der umfangreichen Bestände wurde Andreas August Ernst Schleiermacher beauftragt (Hofbibliothekar von 1811 – 1830). Er erarbeitete einen systematischen Katalog von solcher Qualität, wie ihn kaum eine andere große Bibliothek jener Zeit besaß. Bei dem auch weiterhin mit großer Energie betriebenen Bestandsaufbau achtete man von nun an darauf, alle Wissenschaftsgebiete möglichst gleichmäßig auszubauen.
1871 wurde die Großherzogliche Militärbibliothek und 1873 die Musikalien der Hofmusikbibliothek in die Hofbibliothek überführt.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts (1902) hatte die Darmstädter Bibliothek einen Bestand von 454.000 Bänden und zählte zu den 9 größten Bibliotheken des Deutschen Reiches.
1920 erhielt sie den Titel „Hessische Landesbibliothek“.
1921 konnte die Bibliothek des Landestheaters und 1931 die Bibliothek des Hessischen Gewerbemuseums übernommen werden. Auf diesem Wege gelangte auch die Patenschriftenauslegestelle ins Schloß.
Als Dauerleihgabe kam 1922 die Freiherrlich von Closen-Günderrodische Fideikommiß-Bibliothek aus Höchst an der Nidder in die Landesbibliothek, überwiegend Schriften des 16. – 18. Jahrhunderts mit Schwergewicht auf theologischer, historischer, rechts- und staatswissenschaftlicher Literatur (1958 ging die Sammlung in den Besitz der Bibliothek über).
1930 brach Hanns W. Eppelsheimer (Direktor 1929 – 1933) die alte systematische Aufstellung ab und ging zur mechanischen Aufstellung über. Für Werke ab 1901 ersetzte er das inzwischen veraltete System Schleiermachers durch einen neuen Sachkatalog nach der von ihm entwickelten und an der Stadtbibliothek Mainz erprobten Methode.
Die bislang größte Zäsur in der Geschichte der Darmstädter Bibliothek setzte 1944 der große Bombenangriff auf Darmstadt: Über 50 % der Bestände verbrannten (ca. 400.000 von 720.000 Bänden). Ein ähnliches Schicksal erlitt die 1872 gegründete Bibliothek der Technischen Hochschule. Sie wurde um 2/3 ihres Bestandes dezimiert (ca. 80.000 von 120.000 Bänden). Darum wurde durch Erlaß des Hessischen Ministers für Kultur und Unterricht vom 16. Juli 1948 die Zusammenlegung der Hessischen Landesbibliothek mit der Bibliothek der Technischen Hochschule zur „Hessischen Landes- und Hochschulbibliothek Darmstadt“ verfügt.
Die vereinigte Bibliothek behielt ihren traditionellen Standort im Neuschloss, das in Etappen bis 1958 wieder aufgebaut wurde. Bei ihrem Bestandsaufbau hatte die Bibliothek in den Nachkriegsjahren drei Aufgaben zu erfüllen : (1) Ergänzung der durch Kriegseinwirkungen entstandenen Lücken ; (2) Erwerbung der wichtigsten ausländischen Literatur aus der Kriegs- und Vorkriegszeit ; (3) laufende Anschaffung der Neuerscheinungen des In- und Auslandes. Zur Lückenergänzung bemühte man sich zunächst besonders um die Übernahme geschlossener Sammlungen.
1971 erhielt die Bibliothek mit der Einrichtung einer Zweigbibliothek im Neubaugebiet der Technischen Universität einen zusätzlichen Standort. Die Zweigbibliothek ist in ihren Beständen auf die dort angesiedelten Fachbereiche und Fachgebiete ausgerichtet.
Da die Raumnot im Schloss immer gravierender wurde, musste 1989 auch das Patentinformationszentrum ausgelagert werden, das sein neues Domizil in einem Gebäude der Fachhochschule hat. Dort befindet sich auch das Ausweichmagazin. 1993 zogen die Theatergeschichtliche Sammlung sowie die Kartensammlung in das Haus der Geschichte (Mollerbau).
1994 wurde mit den Umbauarbeiten des Ostflügels des Schlosses begonnen, die im Herbst 1997 abgeschlossen wurden. Damit steht den Benutzern der Bibliothek ein größerer Lesesaalbereich und ein Zeitschriftenfreihandmagazin zur Verfügung. Die 90er Jahre waren geprägt durch die Umstellung vieler Bereiche der Bibliothek auf die Verfahren der elektronischen Datenverarbeitung.
Am 1. Januar 2000 wurde die Hessische Landes- und Hochschulbibliothek als zentrale Einrichtung in die Technische Universität Darmstadt integriert. Dies eröffnete neue Perspektiven der Zusammenarbeit im universitären Bibliothekssystem. Mittlerweile konnten die Bibliotheken von vier Fachbereichen zu Teilbibliotheken zusammengefasst und das Leistungsangebot ausgeweitet werden.
Mit Wirkung zum 24. Februar 2004 änderte die Bibliothek ihren Namen in „Universitäts- und Landesbibliothek Darmstadt“ (ULB). Vier Jahre nach der organisatorischen Einbindung in die TU wurde damit auch in der Namensgebung die Zugehörigkeit vollzogen und die Funktion als zentrale Universitätsbibliothek hervorgehoben. Als Landesbibliothek bleibt die ULB weiterhin zuständig für die wissenschaftliche Literatur- und Informationsversorgung der Region Darmstadt und Südhessen. Auch optisch gleicht sich die Bibliothek dem Design der TU an und präsentiert sich mit einem neuen Logo, das Athene und ULB in einem grünen Quadrat partnerschaftlich vereint.