为了推动图书馆事业的发展，袁同礼十分重视图书资料征集工作。早在1924年在欧洲考察期间，袁同礼就探访《永乐大典》散佚欧洲各国的情况，又托人查录英、法等国收藏敦煌资料的情况。二战结束后，他又致函外交部，要求向德国追回被掠去的图书文物。抗战期间，袁同礼曾三次赴美，在各文教机关、团体发表演说，宣传抗日，争取国际援助；同时征集书刊资料，筹措购书外汇。他委托曾在北图工作过的在美人员予以协助。当时交通、通讯中断，征集到的资料无法运回国内，他就多方设法，联系就地储存。抗战胜利后，这些资料均邮寄回北图。现在北图所藏的美国年代的平装本小说就是那时征集到的。当袁同礼获知美国国家档案局藏有大量中美关系史方面的档案后，便利用自己的关系积极活动，联系复制档案胶卷。通过努力，他募得捐款1200美元，复制了324个胶卷，内容包括年间美国各驻华机构的报告和年间中国驻美公使致美国务卿的照会。这些档案至今仍存于国家图书馆，对研究中美关系史和世界史有很高的参考价值。
1935年，在欧洲访学的王重民（曾在袁同礼之后代理北平图书馆馆长）发现法国国家图书馆14种藏书中有关于太平天国的珍贵文献，又在普鲁士国立图书馆发现有关太平天国的文献。这些史料都是国内所没有的，袁同礼得知后十分高兴，电请王重民拍摄，后由北大和北图共同辑成《太平天国史料》，成为研究太平天国的重要历史文献。
1937年卢沟桥事变后，抗日战争全面爆发。北平沦陷后，袁同礼同十几名北图职员南下参加抗日。离馆前夕，他在一次全馆集会上，饱含热泪，语重心长地嘱咐、恳求全体同仁要体念时艰，安心工作，就地抗日，保护好国家的财产。由于袁同礼平日在工作人员中享有很高的威望，留守的员工大都坚守岗位，以保护北图为己任。在八年沦陷期间，北图的书刊均无损失，即使最为日本人所觊觎的善本珍藏也完整无缺。
抗战期间，袁同礼曾南下湖南，以国立北平图书馆的名义与长沙临时大学（由北大、清华、南开三所大学组成）合作，同时兼任临时大学图书馆馆长，开展图书馆服务工作。1938年3月，袁同礼随临时大学迁往昆明，设立北平图书馆昆明办事处。
作为一位爱国者，袁同礼发起成立了中日战事史料征辑会。在当时条件极其艰苦的情况下，征辑会不但派出专人采集昆明、重庆、上海、香港等地出版发行的有关报纸、杂志及小册子，还设法搜集沦陷区敌伪汉奸的报纸、公报、传单和欧美、日本、苏联、南美各地的出版物，如同情中国抗战的讲演稿、驻华记者的新闻稿、外侨的报告书、战争造成中国人员财产损失等方面的资料，还编辑了《卢沟桥事变以来中日战事大事日表》、《中日战事纪事长编》、《卢沟桥事变以来新出战事书籍提要》、《暴日侵华与国际舆论》（英文本）、《战事史料集刊》、《抗战书目提要》等书。
抗战期间，袁同礼还曾致函，请求支持搜集抗日史料工作，得到的热情支持。1939年3月16日，派人访问袁同礼。同年4月10日，国民革命军第十八集团军驻陕办事处人员林祖涵托人把所搜集的书籍50册转交北平图书馆。同年7月，该集团军重庆办事处又致函北平图书馆馆长：“兹有周副部长（按：）交下书籍，大多是年解放区出版的书刊文献，至是珍贵。”此后，北平图书馆昆明、重庆两办事处直接与延安解放社、延安新中华报出版社、延安新华书店、重庆新华日报社建立了经常性的联系。北平图书馆开始公开收藏中国共产党早期出版的书刊文献。
在袁同礼和社会各界人士的共同努力下，有关中日战事的文献源源不断地汇集到在昆明的国立北平图书馆。据不完全统计，1945年前，仅藏于昆明馆的抗战史料即有中文书册，中文小册子400余件，中文杂志2350种，中文报纸169种，日文书520册，日文杂志120种，日文报纸8种，西文书1922册，西文杂志373种，西文报纸49种。另有《战事史料集刊》、《抗战书目提要》等书出版。1948年5月，这些史料在北平北海静心斋展出，大多已是国内唯一的珍品。
日本帝国主义的入侵，使我国图书馆损失惨重，为了复兴图书馆事业，袁同礼于1938年以中华图书馆协会理事长的名义，分别致函欧美各国图书馆协会，痛陈日军暴行，并广泛征集图书，得到美英各国图书馆界的援助，捐赠的图书陆续运往香港。为顺利接受赠书，袁同礼亲往香港，参加图书验收和运送事宜。抗战胜利后，袁同礼曾参加接收敌伪文物图书的工作。北平图书馆以收藏古籍出名，馆藏善本、珍本，无论数量还是学术价值，无馆可与之相比。抗战爆发后，袁同礼为了保存这批国宝，深谋远虑，与美国国会图书馆协商，将2700余种约3万册善本运往美国国会图书馆保存，并代制成缩微胶卷，以永久保存，便于使用。装运工作自月开始。为了这批书的安全，袁同礼亲自安排督运。这批善本摄制工作自1942年初开始，至1946年完成，共摄成胶卷1070卷。底片存美国国会图书馆，赠中国3套正片。多达百箱的精选善本在美国国会图书馆寄存了25个年头，1965年才转回台湾“中央图书馆”保管。
通过袁同礼的多方努力，国立北平图书馆藏书日臻丰富。至1949年已多达140余万册，其中包括中文普通书、善、敦煌写经、舆图、金石拓片、特藏书、中外文期刊、西文书、日文书、其他语种图籍等。对北图发展最有发言权的是读者。从1931年6月国立北平图书馆正式开馆至1948年，每年都接待读者数万人次乃至数十万人次。最多的一年是1936年，全年接待读者人次，流通图书册次。
1940年3月，国立北平图书馆馆长蔡元培病逝于香港。1942年，袁同礼由副馆长、代理馆长改任馆长。1944年底，袁同礼奉国民政府之命赴英美考察，并以中国代表团顾问名义参加了1945年在美国旧金山召开的联合国第一次会议。1945年5月，袁同礼获美国匹兹堡大学法学博士名誉学位，同年9月返回北平，继续以馆长身份主持国立北平图书馆的工作。