La bibliothèque conserve un riche fonds encyclopédique, hérité de l'ambition de Stanislas d'en faire un établissement ouvert à l'instruction de tous.
De nos jours, elle abrite un fonds de référence sur l'histoire de la Lorraine et du duché de Lorraine, contenant également des manuscrits, estampes, cartes et plans. Une base de données permet de parcourir les 4 000 périodiques lorrains conservés aux archives et bibliothèque municipales, aux archives départementales, à la bibliothèque diocésaine mais également à la bibliothèque municipale de Metz. La bibliothèque municipale de Nancy est la bibliothèque habilitée à recevoir le dépôt légal imprimeur (DLI) en Lorraine.
À la demande du roi Stanislas, le grand bibliophile Józef Andrzej Załuski avait déposé une partie de ses livres à l'Académie de Stanislas lors de son admission comme associé étranger en 1756 ; le « Petit fonds Załuski », conservé à la bibliothèque municipale, a ainsi échappé aux destructions qui ont affecté la Bibliothèque Załuski en Pologne.
Le XIXe siècle est particulièrement marqué par les dons et legs faits à la Bibliothèque de Nancy : 600 cartes du général Antoine Drouot en 1832, les 7 860 volumes de la bibliothèque de Georges Boulay de la Meurthe, conservés dans des salles qui lui sont entièrement dédiées, 10 000 thèses de l'Université de Strasbourg, les donations de la comtesse Sommariva, de Charles Mehl et d'Émile Gebhart. Les fleurons de la Bibliothèque, les fonds Grandville, constitué de dessins originaux, et Jean-Baptiste Thiéry-Solet (livres lorrains, manuscrits et dessins de Grandville et de Jacques Callot), arrivent respectivement en 1893 et 1921.
Pour le XXe siècle, il faut noter les fonds d'écrivains régionalistes tels que Émile Moselly et Robert Honnert, mais aussi celui du graveur Michel Jamar.
Liée depuis l'origine à la Bibliothèque municipale, l'Académie de Stanislas y tient encore ses séances et y a déposé son fonds d'archives et sa bibliothèque.
L'Association française pour la connaissance de l'ex-libris (AFCEL), qui possède un fonds de plusieurs dizaines de milliers de gravures, dispose d'un local à la Bibliothèque municipale de Nancy.