Ο Διόδωρος πρέπει να έγραψε την ιστορία του μεταξύ του 60 και 30 π.Χ., αφού η αρχική ημερομηνία των αφηγήσεών του είναι η 180η Ολυμπιάδα (59-60 π.Χ.), όταν επισκέφτηκε την Αίγυπτο και έγινε μάρτυρας ενός επεισοδίου λιντσαρίσματος ενός Ρωμαίου, επειδή εκείνος σκότωσε μια γάτα που ήταν ιερό ζώο για τους Αιγυπτίους. Το νεότερο γεγονός που αναφέρει είναι η εκδίωξη των Ταυρομένιων από την χώρα τους και η εγκατάσταση εκεί Ρωμαίων αποίκων, από τον Καίσαρα Οκταβιανό, που χρονολογείται στο 36 π.Χ., σύμφωνα με τον Αππιανό.
Ο Διόδωρος αναφέρει ότι του χρειάστηκαν 30 χρόνια για την ολοκλήρωση του έργου του και, σε συνδυασμό με την απουσία οποιασδήποτε αναφοράς στο έργο του για την μετατροπή της Αιγύπτου σε ρωμαϊκή επαρχία (30 π.Χ.), συμπεραίνουμε ότι τελείωσε τη συγγραφή λίγο πριν από εκείνο το χρονικό σημείο. Στα 30 αυτά χρόνια έκανε μακρινά ταξίδια για να μελετήσει επί τόπου τους διάφορους λαούς και για αναζήτηση πληροφοριών. Σύγχρονοι μελετητές όμως αμφισβητούν την πραγματοποίηση των ταξιδιών αυτών, λόγω λαθών στις περιγραφές του που ένας αυτόπτης μάρτυρας δεν θα έκανε.
Το έργο του Διοδώρου πραγματεύεται την παγκόσμια ιστορία από τη δημιουργία μέχρι την εποχή του, ειδικότερα το 59 π.Χ., έτος της πρώτης υπατείας του Καίσαρα. Αποτελείται από 40 βιβλία, από τα οποία έχουν διασωθεί τα πέντε πρώτα (Α΄- Ε΄) και η δεύτερη δεκάδα (Ι΄- Κ’) καθώς και εκτενή αποσπάσματα από τα υπόλοιπα. Ο ίδιος μας πληροφορεί για το περιεχόμενο των βιβλίων του: Τα έξι πρώτα αναφέρονται σε μυθικά χρόνια, τρία από αυτά για τα βαρβαρικά έθνη και τρία για τους Έλληνες. Τα επόμενα έντεκα αναφέρονται στο διάστημα από τον Τρωικό Πόλεμο μέχρι τον θάνατο του Μεγάλου Αλεξάνδρου, και τα υπόλοιπα 23 βιβλία εξιστορούν τα επόμενα χρόνια μέχρι το 59 π.Χ.
Ονόμασε το έργο του Ιστορική Βιβλιοθήκη επειδή πρόκειται για την ενοποίηση των διαφόρων ιστορικών πηγών, μεταξύ των οποίων αναγνωρίζονται ο Μανέθων, ο Εκαταίος Αβδηρίτης, ο Ηρόδοτος, ο Αγαθαρχίδης, ο Θουκυδίδης, ο Κτησίας, ο Κλείταρχος, ο Έφορος, ο Τίμαιος και άλλοι.
Η κριτική του έργου έχει επισημάνει πολλές ελλείψεις, οι οποίες δικαιολογούνται εν μέρει από το μέγεθός του. Σχετικά με την ιστορική αφήγηση καθεαυτή, το έργο δεν χαρακτηρίζεται από αντικειμενικότητα και ορθολογισμό, στοιχεία που εισήχθησαν από τον Θουκυδίδη. Πολλές φορές δίνει έμφαση στην παρέμβαση της θείας πρόνοιας στα ανθρώπινα, απορρίπτει εξηγήσεις που προσπαθούν να δώσουν (σε σεισμούς και πλημμύρες λ.χ.) οι φυσικοί φιλόσοφοι, πιστεύει σε προφητείες και οιωνούς και αμφισβητεί κάθε προσπάθεια ορθολογιστικής ερμηνείας.
Παρ’ όλα αυτά η σημασία του έργου παραμένει μεγάλη, γιατί χωρίς αυτό η μελέτη της αρχαιότητας θα ήταν η ίδια ελλιπής. Η αξία του έργου βασίζεται στο πλήθος των πληροφοριών που παρέχει, καθώς και στη μεταφορά αυτούσιων τμημάτων από έργα άλλων συγγραφέων που έχουν πια χαθεί, όπως του Εφόρου, του Θεόπομπου, του Ιερώνυμου του Καρδιανού του οποίου το χαμένο σήμερα έργο του ήταν πολύ σημαντικό.
Επίσης είναι ένας από τους ελάχιστους αρχαίους συγγραφείς που αναφέρεται με πολύ συμπάθεια στη μαρτυρική ζωή των σκλάβων στα ορυχεία της αρχαίας Μακεδονίας.