改名为国立北平图书馆。8月，教育部聘任蔡元培为馆长，同时向袁同礼发出聘书曰：“兹聘任先生为国立北平图书馆副馆长，即请惠允担任。”国立北平图书馆成立后，蔡元培虽为馆长，但也因兼职太多无暇顾及馆事，袁同礼以代理馆长名义实际主持一切。袁同礼代理馆长职务，且又是图书馆学专业出身，事业心极强，先后在馆工作20余年，成绩卓著，奠定了中国现代图书馆的基础，推动了我国图书馆事业的发展。
1931年6月，国立北平图书馆新馆在北平北海西侧落成。图书馆采用了欧美最新材料与结构，书库可容书55万册，阅览室可容200余人，是当时中国最大的现代化图书馆，也是世界上颇具民族特色的大馆之一。新馆的落成和投入使用，让袁同礼兴奋异常：“吾国今日图书馆事业已由火微光日即于黎明之境。然而发挥光大，尚复有待。吾人不悔，愿与全国同仁，互相提携，以期为国家树长治久安之基。”袁同礼对我国图书馆事业的前途充满信心，并胸怀强烈的责任感。他还道出了图书馆事业的重要性：“近代观国者于政治修明之外，尤须窥其民智之通塞；而民智之通塞，又与其图书馆事业之盛衰为表里。换言之，谓一国民智之表见，以及于政治修明，俱系于此，亦未为过也。”
袁同礼在主持北平图书馆工作期间，整理出版了大量善本丛书，编纂了馆藏甲、乙两库善本书目、普通书目目录、特种书目如舆图、唐人写经、国学与文学论索引、中西文馆刊及周年报告等等，对我国文化、教育、科技专家的学术研究起了重要作用。
袁同礼还把世界上科学的编目方法介绍到中国来编古籍。其一，他不按“四部”分类，而参照美国国会图书馆分类法及杜威分类法，按书名第一字笔画及作者姓名第一字笔画来分目，查考找书极为便利。其二，袁同礼将线装古书目录也同新书一样，制成卡片，装入卡片箱，便于查书，这在现代图书馆中不稀奇，而在当时则是很大的改革。其三，袁同礼改装所有的线装书套子，便于上架。中国古书，大小不一，册数不同，习惯平放，上架取书都不方便。袁同礼亲自设计布匣子，像洋装书一样，插架极为便利，书名写在匣脊上，找书十分方便。
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
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