立之初以2003年完工启用的北屯四张犁分馆作为总馆。位于西屯区水湳经贸园区的新总馆，兴建经费约新台币10.28亿，预计2022年完工。启用后，预计藏书将达到70万册，将是台中市最大型的市立公共图书馆，也是继国立公共资讯图书馆之后，台中市第二大的公共图书馆，竣工后的台中市立图书馆楼高7层，另包括地下2层。