W chwili przekazania gmachu i zasobów bibliotecznych w ręce polskie w kwietniu 1920 r. biblioteka liczyła 75 tys. woluminów, w tym tylko 300 w jęz. polskim. Po objęciu stanowiska dyrektora przez Witolda Bełzę (1920–1939 i 1945–1952), rozpoczęła się polonizacja zbiorów i przekształcenie w placówkę naukową. Do 1939 r. zasób biblioteki wzrósł do 150 tys. woluminów. Na własność biblioteki przeszły m.in. książki i rękopisy dawnej biblioteki bernardynów bydgoskich z XV-XVIII w. oraz zbiór blisko 2,7 tys. dokumentów królewskich, przywilejów, dekretów, rękopisów i autografów. Feliks Nowowiejski ofiarował jedyny zachowany rękopis „Roty”, a Adam Grzymała-Siedlecki przekazał kilkanaście książek z poronińskiego księgozbioru Włodzimierza Lenina, co stało się prawdziwą rewelacjąw 1945 r. Rada Miejska przekazała je jako dar miasta Bydgoszczy Związkowi Radzieckiemu.
Duże straty poniosła biblioteka w czasie II wojny światowej – zniszczono ok. 20% zbiorów, w tym 326 starodruków i 99 inkunabułów. Dzięki Klarze Sarnowskiej, której udało się ukryć szereg cennych druków, niektóre prace przetrwały.