TVQG hiện có quan hệ hợp tác đều đặn với 80 thư viện thuộc 30 quốc gia trên thế giới trên các phương diện trao đổi tài liệu, trao đổi và đào tạo cán bộ, tổ chức sự kiện, triển khai các dự án hợp tác liên quốc gia… Từ năm 2000, TVQG đã chính thức gia nhập Hiệp hội quốc tế các hội và cơ quan thư viện (IFLA) và Đại hội cán bộ thư viện các quốc gia Đông Nam Á (CONSAL), là thành viên chính thức của Hội nghị Giám đốc Thư viện quốc gia các nước trên thế giới (CDNL) và trong khu vực Châu Á - Châu Đại Dương (CDNLAO); năm 2007 tham gia Mạng lưới các Thư viện Quốc gia số của các nước nói tiếng Pháp (RFBNN). Ngoài việc tham gia đều đặn và tích cực vào các hoạt động của các tổ chức nghề nghiệp nói trên, TVQG đã phối hợp với các tổ chức quốc tế trong và ngoài nước tổ chức thành công nhiều sự kiện quốc tế như Hội nghị, hội thảo chuyên môn khu vực ASEAN, nói chuyện chuyên đề với các diễn giả nước ngoài, triển lãm sách báo, tư liệu, tổ chức ngày hội đọc sách,… Bên cạnh đó còn phối hợp thực hiện nhiều chương trình, dự án hợp tác với nước ngoài mang lại lợi ích không chỉ cho TVQG mà còn lan tỏa đến các thư viện trong toàn hệ thống, đáng chú ý nhất là các dự án sau:

* Dự án tài trợ sách cho các thư viện Việt Nam của Quỹ Châu Á (Hoa Kỳ): với số lượng sách tài trợ hàng năm tính từ năm 2000 đến nay là 40.000 cuốn sách tiếng Anh mỗi năm cho hơn 120 thư viện công cộng, đại học và chuyên ngành; 16 bộ máy vi tính và máy in cho TVQG và 9 thư viện có hệ thống Phòng đọc sách tiếng Anh do Quỹ Châu Á tài trợ; 03 chương trình Ngoại giao công chúng trên phạm vi cả nước trị giá lên tới 120.000USD trong 3 năm 2005-2007 với nhiều hoạt động cổ vũ văn hóa đọc như triển lãm sách Quỹ Châu Á, thi kể chuyện, vẽ tranh cho thiếu nhi, đố vui cho sinh viên, thi viết luận tiếng Anh để tìm ra 3 “Đại sứ văn hóa” Việt Nam sang giao lưu với sinh viên Hoa Kỳ. Thư viện quốc gia Việt Nam là đối tác tại Việt Nam của QCA để triển khai các chương trình, dự án này.

* Dự án xây dựng cơ sở dữ liệu chung CONSAL: TVQG đã tiếp nhận 01 máy Scanner Minolta PS 7000 và 1 máy tính trị giá 10.000 USD và đã hoàn thành việc số hóa 322 cuốn sách giới thiệu về Việt Nam bằng tiếng Anh góp lên cơ sở dữ liệu chung của khu vực.

* Dự án Microfilm các sách báo trước năm 1954 với Thư viện Nghiên cứu Mỹ: nhận 1 máy đọc microfilm và 1 máy in trị giá 24.000 USD, 3 đợt nhận phim cuộn và vật tư cho chụp microfilm trị giá khoảng trên 2.500 USD.

* Dự án với Quỹ Force (Hà Lan): nhận 4 đầu đọc trợ giúp thị lực và 1 máy đọc chữ nổi và tổ chức Hội thảo về sản xuất sách nổi cho người khiếm thị.

* Dự án dịch và xuất bản Khung phân loại thập phân Dewey, ấn bản rút gọn 14 từ tiếng Anh sang tiếng Việt: trị giá 100.000 USD do Quỹ Atlantic Philanthropies và Đại học quốc tế RMIT tài trợ (2004-2006). Trong năm 2010, 2 đơn vị này đã tiếp tục tài trợ cho TVQG kinh phí mua phần mềm dịch và xuất bản tiếp tục Khung phân loại DDC22, ấn bản đầy đủ sang tiếng Việt trị giá 40.000 USD cho giai đoạn 2010-2012.

* Dự án dịch các tài liệu về bảo quản và tổ chức đào tạo kỹ năng bảo quản tài liệu cho các thư viện của Việt Nam: do Quỹ Ford tài trợ trị giá hơn 40.000 USD. Bên cạnh đó, Quỹ cũng đã tài trợ 07 học bổng toàn phần đào tạo tiếng Anh cho cán bộ TVQG tại Tp. Hồ Chí Minh.

* Dự án với Pháp: TVQG đã xử lý và tạo lập CSDL với khoảng 23.423 biểu ghi có ở kho Đông Dương trong dự án Thư viện điện tử bằng tiếng Pháp cho vùng Châu Á – Thái Bình Dương (BEFAP) do Quỹ Francophone des Inforoutes tài trợ. Từ năm 2006, bắt đầu triển khai dự án VALEASE (Phát huy hệ thống  thư tịch cổ ở Đông Nam Á) do Đại sứ quán Cộng hòa Pháp tại Việt Nam tài trợ. Trong khuôn khổ dự án này, phía Pháp đã cung cấp cho TVQG 01 máy scanner khổ lớn trị giá gần 30.000 USD, TVQG đã số hóa được 89.512 trang sách thuộc bộ sưu tập sách Đông Dương mà phía Pháp yêu cầu.

* Dự án nâng cấp Phòng đọc tự chọn sách Khoa học tự nhiên và Phòng đọc theo yêu cầu: do Đại sứ quán Hàn Quốc và Công ty SK Telecom/ Hàn Quốc tài trợ (trang bị toàn bộ thiết bị nội thất và máy vi tính cho thủ thư, bàn ghế, giá sách, cổng từ, Ti vi màn hình lớn,..) trị giá lên tới gần 200.000 USD và 5000 cuốn sách tiếng Hàn (2006, 2007).

* Dự án đưa 01 chuyên gia tình nguyện Australia về lĩnh vực bảo quản tài liệu giấy về làm việc tại Thư viện quốc gia trong 2 năm 2007-2008 do quỹ VIDA/ Australia tài trợ.

* Dự án số hóa tài liệu Hán Nôm : TVQG phối hợp cùng Hội bảo tồn di sản chữ Nôm Việt Nam (Hoa Kỳ) đã tiến hành số hóa và đưa cơ sở dữ liệu toàn văn tài liệu Hán Nôm của TVQG lên trang web của thư viện để phục vụ đông đảo bạn đọc. Trong khuôn khổ dự án, TVQG đã được trang bị máy scan hiện đại.

* Dự án thí điểm nâng cao năng lực công nghệ thông tin cho cán bộ thư viện do Quỹ Bill and Melinda Gates/ Hoa Kỳ tài trợ thông qua Quỹ Châu Á là đơn vị điều phối chính triển khai trên 3 mảng hoạt động: (i) khảo sát nhu cầu đào tạo và thực trạng năng lực của 99 thư viện và điểm BĐVHX, (ii) tổ chức 15 lớp đào tạo Kỹ năng phục vụ bạn đọc cho 255 cán bộ thư viện tỉnh, huyện, xã, cán bộ văn hóa và điểm Bưu điện văn hóa xã, (iii) tổ chức 45 ngày hội Internet trên 3 tỉnh Thái Nguyên, Nghệ An và Trà Vinh để cổ vũ việc sử dụng máy tính và internet phục vụ công việc, học tập và đời sống cho nhân dân (2009-2010).

* Dự án Biên mục trên xuất bản phẩm trị giá 80.000 USD: TVQG phối hợp với Đại học quốc tế RMIT triển khai với sự tham gia của 59/60 NXB ở Việt Nam. Dự án góp phần chuẩn hóa công tác xử lý nghiệp vụ thư viện trong cả nước và góp phần tiết kiệm kinh phí và nguồn nhân lực thư viện trong khâu xử lý kỹ thuật tài liệu (2009-2011).

Ngoài ra, TVQG đã tổ chức thành công một số hội thảo quốc tế về chuyên môn nghiệp vụ thư viện như các hội thảo về kỹ thuật bảo quản tài liệu với chuyên gia bảo quản đến từ Mỹ, Đức, Nhật Bản; hội thảo thử nghiệm bộ tài liệu mới của Tiểu ban tự do thông tin và tự do thể hiện/ IFLA về sự minh bạch trong thư viện; triển lãm tư liệu Thăng Long – Hà Nội nghìn năm văn hiến tại Paris/ Pháp và Viêng Chăn/ Lào. Sự kiện hợp tác quốc tế nổi bật là TVQG đã đăng cai và tổ chức thành công 02 sự kiện quốc tế lớn là Đại hội Cán bộ Thư viện các nước Đông Nam Á lần thứ 14 (CONSAL XIV) nhiệm kỳ 2006-2009 với 3 Hội nghị trù bị Ban Chấp hành tại Huế, Hồ Chí Minh và Hà Nội có đủ 10 nước thành viên tham dự; Đại hội toàn thể CONSAL XIV với gần 1000 đại biểu tham dự, trong đó có 330 đại biểu nước ngoài đến từ 27 nước. Hội nghị Giám đốc Thư viện quốc gia các nước Châu Á - Châu Đại dương lần thứ XVII tại Hà Nội với 24 đại biểu đến từ 16 nước.

Trên mảng hợp tác song phương, TVQG đã ký biên bản ghi nhớ chương trình hợp tác với các đơn vị như Trường Đại học Tsukuba/ Nhật bản, Thư viện quốc gia Tây Ban Nha, Thư viện quốc gia Hàn Quốc, Viện Goethe Việt Nam, Quỹ Châu Á/ Hoa Kỳ về trao đổi tài liệu và đào tạo cán bộ. Từ năm 2000-2010, TVQG đã đón tiếp 549 đoàn khách nước ngoài (gồm 2062 khách) đến thăm quan, làm việc với TVQG và cử 136 đoàn (263 cán bộ) đi tập huấn và đào tạo tại nước ngoài. Trên mảng đào tạo cán bộ, các đối tác chính là Đại sứ quán Ấn Độ tại Việt Nam, Thư viện quốc gia Malaysia, Hội đồng thư viện quốc gia Singapore, Đại học quốc tế RMIT/ Australia, Đại học Victoria/ New Zealand. Ngoài ra, TVQG cũng đã giúp đỡ tìm kiếm các xuất học bổng đào tạo ngắn hạn tại Ấn Độ, Singapore, Hàn Quốc và Malaysia cho hơn 20 cán bộ thư viện các tỉnh thành trên cả nước.