Челябинская областная универсальная научная библиотека открылась как бесплатная городская библиотека-читальня 16 (28) июля 1898 г. Уже через 2 года она располагала фондом более 2 тыс. книг, многими газетами, журналами. Услугами её в основном пользовались мещане, крестьяне. Работой и пополнением фондов руководил выборный совет. Интеллигенция города существенно помогала библиотеке: её пожертвования составляли половину ежегодного бюджета.
Первым библиотекарем и организатором работы был Лев Степанович Коротовских, проработавший в ней 15 лет.
К 1917 г. фонд насчитывал 10 тыс. томов. В годы революции и Гражданской войны деятельность библиотеки замерла и возобновилась лишь в 1919 г., когда её заведующей стала Лидия Николаевна Сейфуллина, впоследствии известная советская писательница. В 1923 г. библиотека была преобразована в центральную городскую публичную и располагалась в двухэтажном особняке по ул. Цвиллинга. В это время её посещали уже 3000 читателей.
В связи с образованием Челябинской области в 1934 г. библиотека преобразована в областную с выполнением функций методического центра библиотечного дела. Большой вклад в её развитие в те годы внесли Иван Николаевич Сверчков и Владимир Павлович Бирюков, а также бывший её директор Василий Сергеевич Богданов, погибший в 1942 г. в сталинских лагерях.
С конца 1950-х гг. до1996 г. в библиотеке работал известный библиограф-краевед Борис Тимофеевич Уткин (1923–1996), внесший значительный вклад в изучение истории библиотек Урала и развитие краеведческой библиографии.
Начало 1990-х годов для библиотеки — сложный и трудный период, как и в целом для всего российского библиотечного мира.
Со второй половины 90-х гг. усиливается информационная функция библиотек, с чем связано активное развитие информатизации. С 1994 г. библиотека начала работать над созданием электронного каталога. С этого момента по настоящее время информатизация и модернизация библиотечных процессов становится приоритетным направлением деятельности.
С 2002 г. по апрель 2014 г. директор ЧОУНБ — заслуженный работник культуры Российской Федерации Ирина Васильевна Гудович. В настоящее время на основе действующей автоматизированной библиотечно-информационной системы пользователям предоставлен широкий доступ к собственным и мировым информационным ресурсам.