《图书馆的女友》是一部校园恋爱轻喜剧，讲述北川大学图书馆的白发管理员柳明宇，与常来二楼靠窗座位看书的文学院女生苏晚之间的暧昧拉锯。苏晚每天下午三点准时出现，借阅的书从不重样，却总在归还时夹一张手写短笺，上面是某本书里她最喜欢的一句话。柳明宇起初以为这只是普通读者的习惯，直到某天他无意中发现，那些短笺连起来竟是一封告白信——而最后一张短笺上写着：“如果你也喜欢我，明天闭馆后，请把《霍乱时期的爱情》放在第37排左数第三本的位置。”一场图书馆里的浪漫攻防战就此展开，两人用书籍做暗号、用分类号藏情书，全图书馆的常客都成了他们爱情的“目击证人”。
苏晚的短笺写到第99张时，柳明宇终于将《霍乱时期的爱情》放到指定位置。苏晚取书时发现里面夹着一张借阅卡，上面是他手写的：“我回信了，在第37排左数第三本的第142页。”她翻开，是他画的一颗心。
苏晚发现柳明宇在每张她归还的书的借阅卡背面都悄悄画了涂鸦——她低头看书的样子、她踮脚取书的背影、她趴在桌上睡着的侧脸。她抱着那摞借阅卡，在校图书馆门口哭到笑出声。
一位音乐系的男生开始每天给苏晚送花，并故意在她常坐的位置放乐谱。柳明宇不动声色，将苏晚喜欢的诗集全部重新分类，在索引卡片上写下“本区域专属S·W（苏晚缩写）”。苏晚看见后，把乐谱还给了音乐系男生。
图书馆意外停电，苏晚被困在文学区深处。柳明宇举着手机照明找到她，两人在黑暗中安静地并肩坐着。他突然说：“我想给你念《小王子》里狐狸说的那段话。”苏晚轻声接上：“如果你驯服了我……”
期末借阅排行公布，苏晚以187本高居第一。柳明宇偷偷在系统后台把她常借的书目做了电子书签合集，命名为“苏晚的书单”，并设成图书馆屏保。全校都知道他在追她，只有他觉得自己藏得很好。
苏晚毕业前夕，把大学四年所有借阅短笺装订成册送给柳明宇，扉页写着：“你是我在图书馆里，借到的最好的那本书。”柳明宇当晚值完最后一班，在闭馆广播里轻声说：“本馆藏有一件永不外借的宝物，名叫苏晚。”