La croissance des collections va s'accélérer au cours du 20e siècle, comme on peut le constater dans toutes les bibliothèques comparables, suivant en cela l'augmentation générale de la production éditoriale. Le bâtiment des Bastions se révèle rapidement trop exigu et les extensions ou transformations ponctuent le siècle. En 1905 une nouvelle salle de lecture est construite, adossée à la façade orientale, ainsi que des salles d'exposition. Plusieurs aménagements augmentent la capacité des magasins en sous-sol, les derniers en date s'étant achevés en 1987.
A la période plus récente s'opère l'informatisation progressive des services. En 1984, la Bibliothèque se rattache au Réseau romand, devenu aujourd'hui Réseau des bibliothèques de Suisse occidentale, Rero.
En 1999 la Bibliothèque de Genève inaugure le premier espace en libre accès de son histoire. Jusqu'alors, les ouvrages ne pouvaient être communiqués que moyennant une recherche dans les catalogues et une commande en magasin, à l'exception des consultatifs et ouvrages de référence. Malgré sa taille limitée (30'000 volumes) cette sélection encyclopédique de livres récents rencontre un franc succès, attesté par le volume des prêts.
La Salle de lecture est rénovée en 2005. Elle offre aux lecteurs un confort accru, ainsi qu'un accès wifi, le premier wifi public de la Ville de Genève.
En 2006, la Bibliothèque organise une grande exposition au Musée Rath: Arts, savoirs, mémoire. Trésors de la Bibliothèque de Genève. A cette occasion, elle reprend officiellement son ancien nom: Bibliothèque de Genève.
Une rénovation complète de l'Espace Ami Lullin, la salle d'exposition située au rez-de-chaussée de la Bibliothèque, est entreprise en 2007. Depuis l'inauguration en octobre 2008, le mobilier, entièrement renouvelé, permet de montrer les documents dans d'excellentes conditions de sécurité. Un espace dédié aux conférences complète l'espace d’exposition.
Au début du 21e siècle, des travaux de rénovation sont entrepris, sans toutefois résoudre la saturation des collections à moyen terme (plus de 2'000'000 de volumes rien que pour les imprimés).