Le service Patrimoine a pour mission de conserver, d'enrichir et de faire connaître les collections patrimoniales de la Bibliothèque. À ce jour, ces collections comptent : plus de 250 000 livres et imprimés depuis le 15e (XVe) siècle, environ 30 000 manuscrits, 8 000 documents iconographiques, 14 000 cartes postales, 1 800 cartes et plans, 200 documents audiovisuels sur Nantes et la Loire-Atlantique, et près de 180 dossiers documentaires thématiques abordant la vie culturelle, environnementale, politique, sociale ou économique locale.
Au sein de ce service est conservé le Fonds Bermond-Boquié, fonds de référence en littérature jeunesse, qui regroupe aujourd'hui plus de 60 000 ouvrages (albums, documentaires, romans, livres d'artistes) représentatifs de l'histoire et de l'évolution de la littérature jeunesse depuis le 19e siècle jusqu'à nos jours.
Le site internet http://livrjeun.bibli.fr, administré par la Bibliothèque municipale, propose plus de 32.000 fiches critiques des ouvrages conservés dans le Fonds Bermond-Boquié. Cette base de données est régulièrement enrichi par les comités de lecture animés par l’association Nantes Livres Jeunes.