Wśród głównych nurtów działalności WTN jest gromadzenie zbiorów bibliotecznych i udostępnianie ich mieszkańcom miasta i regionu. Początki były nader skromne – pierwsze książki były darami ościennych towarzystw naukowych: Płockiego, w Toruniu i Bydgoskiego, przekazanymi dla nowo utworzonego Włocławskiego Towarzystwa Naukowego już na Zjeździe Założycieli w Ciechocinku w dniu 16 czerwca 1979 r.
Przez piętnaście lat zadaniem biblioteki było gromadzenie materiałów źródłowych i opracowań stanowiących warsztat pracy naukowej dla członków WTN i innych badaczy regionu Kujaw wschodnich i ziemi dobrzyńskiej. Księgozbiór powiększał się w sposób stały poprzez zakupy, dary i wymianę. Na koniec 1982 r. zbiory liczyły już 890 woluminów, dwa lata później – 2500 woluminów. Od października 1986 r. biblioteka znalazła się pod fachową opieką bibliotekarza, Iwony Kotuły. Dzięki jej pracy księgozbiór szybko nabrał właściwego kształtu – zgromadzone książki zostały wpisane do nowych ksiąg inwentarzowych i skatalogowane. Prace te trwały kilka lat i biegły równolegle z codzienną działalnością biblioteki, czyli z pozyskiwaniem i opracowywaniem nowych pozycji, a także z udostępnianiem zbiorów szybko rosnącej liczbie czytelników.
Innym problemem było zapewnienie odpowiednich pomieszczeń dla stale powiększających się zbiorów. Biblioteka wędrowała wraz z biurem – początkowo były to wynajęte pomieszczenia przy ulicy 3 Maja 22, potem – od połowy 1982 r. – w budynku Wojewódzkiego Związku Kółek i Organizacji Rolniczych (ul. Okrzei 54), od połowy 1987 r. w gmachu Naczelnej Organizacji Technicznej przy placu Wolności 1. W roku 1990 zbiory, liczące w tym czasie ponad 4500 woluminów, zostały przeniesione, na kilka lat, do wynajętych pomieszczeń magazynowych (wiązało się to z załamaniem finansowym i organizacyjnym WTN, spowodowanym wprowadzonym w życie z dniem 1 stycznia 1990 r. rozporządzeniem Ministra Finansów o zaprzestaniu dotowania wszystkich towarzystw naukowych w Polsce). W magazynach WTN zdeponowało również liczący około 8000 woluminów księgozbiór przejęty od likwidowanej biblioteki Komitetu Wojewódzkiego Polskiej Zjednoczonej Partii Robotniczej we Włocławku. Wprawdzie likwidacji uległ też etat bibliotekarza, jednak działalność biblioteki nie zamarła – prowadzona była nadal, choć w mocno ograniczonym zakresie.
Nowy etap w historii biblioteki rozpoczął się w roku 1994. Na przełomie września i października rozproszony w trzech różnych magazynach księgozbiór znalazł się w odpowiednim dla siebie miejscu: w nowym – choć jeszcze w trakcie remontu – obiekcie przy placu Wolności 20, którego właścicielem było WTN. Nie dość, że przywrócono zlikwidowany wcześniej etat bibliotekarza, to utworzono drugi etat. Nowo zatrudniona mgr Anna Borowiecka i mgr Iwona Kotuła przystąpiły do intensywnych prac nad scaleniem obu księgozbiorów. Dwa i pół miesiąca później, 16 grudnia 1994 r., nastąpiło uroczyste otwarcie Biblioteki Naukowej Włocławskiego Towarzystwa Naukowego.
Biblioteka zyskała nową jakość – jej zbiory, liczące w dniu uroczystego otwarcia ponad 12 000 woluminów książek i czasopism, zostały udostępnione dla mieszkańców Włocławka i regionu, a zwłaszcza dla młodzieży szkolnej i akademickiej. Dużym atutem jest wyodrębniony księgozbiór regionalny dotyczący Kujaw wschodnich i ziemi dobrzyńskiej, który stanowi dobrze przygotowany warsztat do pracy naukowej dla wielu badaczy regionu. W zbiorach, mających charakter uniwersalny, choć z przewagą piśmiennictwa humanistycznego, znajduje się kilka bardzo cennych (wyodrębnionych) księgozbiorów, które są darami od instytucji lub osób prywatnych, m.in. są to:
- zbiór około 600 specjalistycznych książek przyrodniczych Włodzimierza Puchalskiego (1908-1979), wybitnego fotografika przyrody, przekazany przez Zarząd Główny Polskiego Związku Łowieckiego w czerwcu 1996 r.;
- liczący ponad 1000 woluminów księgozbiór Bernarda Kleca-Pilewskiego (1915-1973), przekazany przez wdowę po nim, Halinę Ulicką; książki dotarły z Londynu we wrześniu 1998 r.; zawiera cenne wydawnictwa źródłowe, opracowania i czasopisma z historii, genealogii i heraldyki oraz nauk pomocniczych historii, źródłoznawstwa i bibliografii;
- księgozbiór prof. Stanisława L. Bagdzińskiego (1935-1997), liczący ponad 300 woluminów, przekazany w październiku 2004 r. przez wdowę po nim, Wiesławę Bagdzińską, i Marcina Bagdzińskiego – syna pp. Bagdzińskich; zbiór ten zawiera m.in. wiele cennych, nieosiągalnych już na rynku wydawnictw regionalnych, w tym publikacje autorstwa S.L. Bagdzińskiego.
Dnia 14 października 2005 r. odbyło się uroczyste nadanie Bibliotece Naukowej imienia Profesora Stanisława Leszka Bagdzińskiego.
Obecnie (grudzień 2023 r.) Biblioteka Naukowa posiada w swoich zbiorach blisko 36 000 woluminów książek i czasopism, ponad 1760 jednostek inwentarzowych dokumentów życia społecznego, 50 prac doktorskich, 86 prac magisterskich, 35 prac licencjackich i inżynierskich. Zgromadzony księgozbiór to efekt wytężonej ponad trzydziestopięcioletniej pracy bibliotekarzy i wysiłków poszczególnych zarządów WTN, aby Biblioteka Naukowa mogła służyć pomocą mieszkańcom Włocławka i regionu w zdobywaniu wiedzy nie tylko z różnych dziedzin nauki, ale i tej dotyczącej Kujaw wschodnich i ziemi dobrzyńskiej. Jednakże okres świetności już minął – problemy finansowe pozwalają na korzystanie z czytelni tylko raz w tygodniu. Odwiedzający Bibliotekę czytelnicy mają do dyspozycji katalog elektroniczny w programie MAK, który ułatwia poszukiwania bibliograficzne.