Nata il 18 maggio 1962, dal 1989 è membro della Fédération internationale des archives du film (FIAF) e, dalla sua creazione, dell'Association des cinémathèques européennes (ACE). Nell'estate del 2000 è stata inaugurata la nuova sede di via Riva di Reno nell'ex Manifattura Tabacchi e il 28 giugno 2003 sono state aperte le due nuove sale del cinema Lumière nei ristrutturati spazi dell'area ex-macello (Manifattura delle Arti), ove si trovano anche la biblioteca di cinema Renzo Renzi e le collezioni non filmiche, come l'archivio fotografico.
Conserva oltre 46.000 pellicole cinematografiche, prevalentemente in 35 mm e 16 mm, ma anche in Super 8 e in altri formati minori come i videodischi. Oltre alle copie positive e ai negativi dei film restaurati dalla Cineteca, conserva fondi provenienti da produttori e distributori cinematografici, nonché da importanti collezionisti privati. Di particolare rilievo alcune collezioni: cinema muto italiano, cinema sovietico, classici della storia del cinema, cinema "popolare" italiano, cinegiornali e documentari italiani.
L'Archivio Fotografico Raccoglie oltre 2 milioni di immagini fotografiche che la Cineteca conserva, preserva dal degrado e mette a disposizione del pubblico. Comprende due sezioni: Cinema (ricca di oltre 800.000 fotografie che documentano la storia del cinema); Bologna (oltre 1.200.000 immagini realizzate dal 1873 in poi).
La Biblioteca Renzo Renzi conserva circa 46.000 volumi di argomento cinematografico, 2.500 libri di fotografia, 2.000 testi di grafica e fumetto, nonché una raccolta di periodici specializzati (circa 1.100 testate). Il patrimonio bibliografico è collocato a scaffale aperto ed è direttamente accessibile al pubblico. Tra le sue dotazioni, la biblioteca ha acquisito l'archivio personale dei materiali di ricerca di Vittorio Martinelli (1926 – 2008), critico cinematografico e storico del cinema muto, che ve lo aveva trasferito alcuni anni prima della morte.
