典藏借閱中心是首都圖書館對外服務的主要部門。擔負著中外文圖書資料的收藏、借閱、咨詢、辦證、讀者活動等多項職能。設有文史、哲社、科技、外文、綜合等5個借閱室，以及奧林匹克閱覽室、康復文獻閱覽室、自習室、辦證處等，閱覽座位1200余個。 為增加首都圖書館的文化氛圍，滿足讀者更高的文化需求，典藏借閱中心利用先進的設備設施和優良的場館環境，每年舉辦讀者活動百余場次，“首圖講壇”深受讀者歡迎，其中“首圖健康課堂”、“魅力課堂”、“上品課堂”等已辦成品牌系列講座。同時，為普通讀者及有特殊需求的讀者舉辦各種形式的活動、培訓等，收到了良好的社會效果。
報刊資料中心
報刊資料中心是首都圖書館的基礎業務部門。它承擔著中外文紙質報刊的采集、加工、典藏、流通、信息開發等業務工作。它的基本服務對象是所有的北京市民以及北京的居留人口。 本中心藏有1949年以前的中文報刊2800余種，12000多冊；1949年以後的中文報刊7000余種，10萬多冊；外文及港臺報刊約450種，6000余冊。業務組成包括文獻采編組、文獻記到組、典藏閱覽組、信息開發組、讀者活動組。 本中心壹直以特色服務見長，如定期舉辦讀者調查及讀者活動，及時了解和分析讀者的閱讀需求；同時，還為特定用戶提供專題信息服務，例如針對北京市文化局、北京京劇院、中國評劇院、北京市工商局、北京市質量監督局、北京市統計局等用戶定期提供了專題信息剪報，收到了較好的社會效益。此外，還可以為信息用戶提供口頭咨詢及代查代檢業務。
歷史文獻中心
是首都圖書館管理古籍、民國出版物的綜合業務部門。提供的服務項目有:1．館藏古籍文獻、民國圖書及其它特藏文獻的閱覽服務。2．善本書目數據檢索、古籍專題數據庫和古籍電子文獻閱覽服務。3．文獻掃描復制服務。4．專項課題咨詢服務。5．電話咨詢和網上咨詢服務。6．定期舉辦古籍和特藏文獻專題展覽。閱覽資源有:善本古籍、普通古籍；民國圖書；解放區出版物；影印古籍《四庫全書》、《四庫全書存目叢書》、《四庫禁毀書叢刊》、《四庫未收書叢刊》、《續修四庫全書》；《中國基本古籍庫》全文版和圖像版；古籍插圖專題數據庫。
北京地方文獻中心
北京地方文獻中心是首都圖書館的壹個獨具特色的業務部門，經過多年積累，擁有獨立的且相對完善的北京地方文獻專藏系統，和壹批經驗豐富的專業人員。通過采購、訪求、加工、典藏、數字化建設等方式建設北京地方文獻專藏系統，並通過閱覽、參考咨詢、網上服務、展覽、講座等方式服務於北京以及國內外各類讀者和信息用戶。 北京地方文獻檢索系統主要有《北京地方文獻書目數據庫》、《北京地方文獻報刊目錄數據庫》、《北京記憶—北京歷史文化大型多媒體數據庫》。
視聽資料中心
視聽資料中心成立於1980年，是首都圖書館管理音像資料的業務部門。該中心設施先進，資源豐富。有電視機40臺，DVD機40臺，SACD機5臺；收藏唱片、磁帶、錄像帶、錄音帶等***計約1.8萬種（5.2萬件）；截至2006年底，收藏的CD、VCD、DVD等光碟***約4萬種（15萬件），內容涵蓋了音樂戲劇、生活娛樂、語言教學、文化藝術、政治歷史等諸多門類。 本中心收藏的近4000種（3萬件）LP唱片資料，是最早以聲音的方式真實的記錄早期文化藝術的載體，堪稱館藏中的珍品。其中有光緒末年百代公司出版的中國第壹批鉆針唱片，收錄了譚鑫培、四大名旦等著名京劇表演藝術家的唱段；萬人迷、王麻子等人的相聲；三、四十代由周璇、王人美、李香蘭等演唱的流行歌曲及國內各地方劇種的代表作；此外，還收藏了許多三、四十年代外國著名樂團、指揮家的音樂作品。這些LP唱片資料錄制年代久遠，十分珍貴。
信息網絡管理中心
是負責首都圖書館網絡系統的規劃、建設、維護與保障，負責我館電子出版物的藏書建設與借閱流通服務的部門。主要負責對全館自動化、網絡化工作進行統壹規劃和管理、負責全館計算機及其輔助設備、網絡設備、消耗材料的采購、管理、維護、發放，以及各類軟件的選購、安裝、管理和維護；負責首圖網站、域名管理，以及網頁的主體策劃、信息編輯與組織、頁面設計、網頁維護與技術支持等工作。
教育培訓中心
首圖教育培訓中心是公***圖書館履行社會教育的業務部門。中心位於首都圖書館新館5層Ⅲ段，擁有500多平方米的教學空間及多媒體電化教室、計算機網絡教室等良好的學習環境和雙向視頻系統、閉路電視系統、VBI接收系統等現代化的教學設備，為學員提供了良好的學習環境。
信息咨詢中心
信息咨詢中心成立於2005年，是首都圖書館的綜合性參考咨詢服務部門，集文獻信息導航、代檢代查、定向跟蹤課題、撰寫文獻綜述等服務於壹體。依托豐富的館藏資源，憑借紮實的專業知識和豐富的咨詢經驗，中心工作人員對文獻、數據庫以及網絡資源進行開發、利用，為各級領導機關和企事業單位及廣大讀者提供參考咨詢。 信息咨詢中心為社會各界提供了多種層次的咨詢服務，信息準確、全面、及時；分類科學、清晰、邏輯性強，為用戶的學習、工作和科研提供了強有力的信息保障。
少兒綜合借閱中心
少兒綜合借閱中心是首都圖書館專門面向少兒讀者的綜合性服務部門，主要負責少兒報刊文獻的采集、加工、典藏、流通等工作，以及負責少兒圖書的收藏、閱覽、外借、咨詢、辦證、讀者活動等多項職能。多年來秉持“壹切為了小讀者、為了壹切小讀者”的宗旨，著力滿足小讀者的閱讀需求，做到重視孩子天性，培養閱讀習慣，塑造健康人格，充分發揮圖書館的社會教育功能，取得了小讀者的良好口碑和社會效益。
少兒閱讀活動中心
少兒閱讀活動中心是首都圖書館專門為少年兒童開展信息素質教育，組織各類少兒讀書活動的部門。主要包含：覆蓋全市18個區縣及燕山地區的紅領巾讀書活動，每年有數十萬少年兒童參加。活躍在本館內的少兒閱讀活動已形成或正在形成特色和品牌。如“成長課堂”、“紅紅姐姐講故事”、“童心舞臺”等，每年寒暑假推出的“陽光少年讀書行動”已成為首都圖書館組織開展校外教育活動的固定讀書活動