La collection des livres anciens de la Bibliothèque municipale de Lyon comprend 500 000 documents, de l’incunable au livre imprimé jusqu’en 1920. Elle va être progressivement mise en ligne au fur et à mesure de l’avancée des opérations de numérisation.
Son noyau est formé par la collection constituée entre 1565 et 1762 par les jésuites qui tenaient le collège de la Trinité de Lyon. Vers 1750, ils y avaient rassemblé 50 000 volumes utilisés principalement par les professeurs. On y trouvait des livres donnés par des pères jésuites comme le père Auger, confesseur d’Henri III, le père Coton, confesseur d’Henri IV, le père La Chaise, confesseur de Louis XIV ou le père Ménestrier. En 1693, l’archevêque de Lyon, Camille de Villeroy lègue sa bibliothèque de plus de 5 000 ouvrages magnifiquement reliés en maroquin. En 1765, la gestion de la bibliothèque passe sous la responsabilité du Consulat, la municipalité lyonnaise, qui ouvre la bibliothèque au public trois fois par semaine.
La collection bénéficie ensuite des confiscations révolutionnaires, puis de nombreux achats ou donations faits au long des XIXe et XXe siècles (collections Coste, Bonafous, Lacassagne…). En 1998, elle reçoit la collection jésuite des Fontaines, forte d’un total de 500 000 documents dont près de 200 000 anciens.

Encyclopédique, cette collection reflète la diversité de la production imprimée internationale, mais présente quelques points d’excellence. Ainsi les éditions lyonnaises des premiers siècles de l’imprimerie. Lyon se fait vite une réputation dans ce domaine : de ses ateliers sortent des livres illustrés, des livres de chevalerie ainsi qu’une littérature narquoise et facétieuse (Rabelais) qui s’exporte dans tous les pays. C’est à Lyon que sont imprimés pour la première fois en France des livres en italique, des caractères hébraïques et des impressions musicales. Au milieu du XVIe siècle, 450 ateliers typographiques fonctionnent et font de Lyon le siège du commerce international du livre. De cette abondante production, la Bibliothèque municipale de Lyon garde un important témoignage dans tous les domaines du savoir : bibles illustrées, ouvrages de droit, d’érudition, de science et de médecine, d’histoire et de littérature.
Viennent s’y ajouter de nombreuses éditions étrangères dont certaines fort rares notamment d’Italie, d’Allemagne et d’Espagne dans tous les domaines.
La musique imprimée, l’histoire, les beaux-arts, la géographie sont d’autres secteurs bien représentés dans les collections.