Nepieciešamība pēc speciāli bibliotēkai projektētas jaunbūves tika formulēta jau 1928. gadā, tomēr gandrīz simts gadus, līdz notika pārcelšanās uz “Gaismas pili” 2014. gadā, nācās pielāgoties visdažādākajai vēsturiskajai arhitektūrai – banku namiem, dzīvojamajām ēkām, fabrikām, pagrabiem – kopā 38 bibliotēkas darbam nepiemērotām adresēm. Pirmais vērā ņemamais solis jaunas bibliotēkas tapšanā bija 1966. gadā izstrādātais ziņojums par iespējamo atrašanās vietu, kam sekoja pēc Latvijas Padomju Sociālistiskās Republikas (PSRS) Kultūras ministrijas pasūtījuma veiktā projekta izstrāde institūtā “Pilsētprojekts” (projekta arhitekti – Modris Ģelzis, Viktors Valgums, Normunds Pavārs) 1975. gadā. Bibliotēkas komplekss tika projektēts vietā, kur atrodas “Gaismas pils”, un aptvēra plašu teritoriju, tai skaitā publisko telpu ar strūklakām un labiekārtojumu līdz pat Daugavai. Lai arī projekts piedzīvoja uzmanību presē un atzinību izstādēs, tā realizācija nenotika.
Bez rezultāta noslēdzās arī 1988. gadā organizētais konkurss, taču jau gada nogalē toreizējais Rīgas pilsētas galvenais arhitekts un Latvijas Arhitektu savienības vadītājs Gunārs Asaris piezvanīja Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) dzīvojošajam latviešu arhitektam Gunāram Birkertam ar aicinājumu strādāt pie LNB ēkas jaunā projekta. 1989. gada 6. janvārī uzaicinājumam sekoja oficiāla vēstule, un pavisam drīz sabiedrība tika iepazīstināta ar “Gaismas pils” pirmajām skicēm. Projektēšanas darbi notika sadarbībā ar M. Ģelža biroju Rīgā.
Būtiska loma ceļā uz “Gaismas pils” būvniecību bija politiskā un finansiālā atbalsta nodrošināšanai. 1998. gadā tika dibināts Latvijas Nacionālās bibliotēkas Atbalsta fonds (kopš 2005. gada – Latvijas Nacionālās bibliotēkas Atbalsta biedrība), bet 1999. gada 17. novembrī ar īpašu rezolūciju LNB saņēma atbalstu būvniecībai no UNESCO – unikālu statusu, kāds ticis piešķirts vien Aleksandrijas bibliotēkai (Bibliotheca Alexandrina).
Ēkas būvniecība tika uzsākta 2008. gada 20. jūnijā un pabeigta 2013. gada 20. decembrī. 2014. gada 18. janvārī akcijā “Gaismas ceļš – grāmatu draugu ķēde” no rokas rokā jaunajā bibliotēkā nonāca grāmatas no vecās bibliotēkas adreses Kr. Barona ielā 14. Apmeklētājiem bibliotēka durvis vēra 2014. gada 29. augustā.