Одно из современных и самых красивых зданий в центре города. Читатели библиотеки попадают в просторные залы, оснащенные современным оборудованием, уютные фойе, специализированные помещения для работы и чтения книг.
В фондах библиотеки сохранились книги из 13 библиотек дореволюционной Тюмени, основой создания ТОНБ стали фонды первой публичной библиотеки Тюмени, кабинета для чтения Николая Березницкого, библиотеки Приказчичьего клуба, Пушкинской городской библиотеки, библиотеки Тюменского Общества трезвости и Тюменского Александровского реального училища. Большую роль в формировании книжных фондов сыграло купечество, в частности Н. М. Чукмалдин и глава Тюмени А. Н. Текутьев.
В январе 1920 года образована Центральная городская библиотека. Библиотека имела читальню и абонемент. Кроме выдачи книг, библиотекой готовились передвижки, рекомендательные списки книг, плакаты, лозунги, альбомы. Центральная библиотека шефствовала над восемью районами города.
В 1981 году получила статус научной. Появился зал периодики, который входил в состав отдела «Общий читальный зал».
В ноябре 2000 года распоряжением губернатора Тюменской области Л. Ю. Рокецкого Тюменской областной научной библиотеке присвоено имя Дмитрия Ивановича Менделеева. Тюменская областная научная библиотека имени Д. И. Менделеева.
В 2007 году здание ТОНБ было закрыто на реконструкцию. Обслуживание читателей временно осуществлялось в здании Музея Геологии.
В сентябре 2009 года состоялось торжественное открытие нового отреставрированного здания Тюменской областной научной библиотеки имени Дмитрия Ивановича Менделеева и Тюменского регионального центра-филиала Президентской библиотеки имени Бориса Николаевича Ельцина.