A empresa remonta à fundação da "Livraria Internacional de Ernesto Chardron", em 1869, na Rua dos Clérigos, n.º 96-98, no Porto. Antigo empregado da Livraria Moré, o cidadão francês Ernesto Chardron alcançou projeção como editor, sendo o primeiro a publicar grande parte das obras de Camilo Castelo Branco e outras de relevo na época, como o Tesouro da Literatura Portuguesa, de Frei Domingos Vieira. Após o falecimento do fundador, aos 45 anos de idade, a casa-editora foi vendida à firma "Lugan & Genelioux, Sucessores" que, pouco depois, ficou com Mathieux Lugan como seu único proprietário. Em 1891, a Livraria Chardron adquiriu os fundos de três casas livreiras do Porto, pertencentes a A. R. da Cruz Coutinho, Francisco Gomes da Fonseca e Paulo Podestá.[1]

 Fachada da Livraria Lello, após o restauro de 2016

Entretanto, em 1881, José Pinto de Sousa Lello abriu um estabelecimento, nos números 18-20 da Rua do Almada, dedicando-se ao comércio e edição de livros. A 30 de junho de 1894, Mathieux Lugan vendeu a antiga Livraria Chardron a José Pinto de Sousa Lello que, associado ao seu irmão António Lello, manteve a Chardron com a razão social de "Sociedade José Pinto Sousa Lello & Irmão". Em 1898, entrou para a nova sociedade o fundo bibliográfico da Livraria Lemos & C.ª, fundada pelos irmãos Maximiliano e Manuel de Lemos.[1]

Com projeto do engenheiro Francisco Xavier Esteves, no dia 13 de janeiro de 1906, inaugurou-se o novo edifício da Livraria Lello, no número 144 da Rua das Carmelitas, causando grande impacto no meio cultural da época. De entre as diversas figuras presentes na inauguração, encontrava-se Guerra Junqueiro, Abel Botelho, João Grave, Bento Carqueja, Aurélio da Paz dos Reis, José Leite de Vasconcelos e Afonso Costa.[2]

A 24 de maio de 1919, a razão social do estabelecimento foi alterada para "Livraria Lello e Irmão, Lda.", entrando para a sociedade Raul Reis Lello, filho de António Lello. Em 1924, entraram José Pinto da Silva Lello e Edgar Pinto da Silva Lello. Em 1930, foi a vez de José Pereira da Costa, genro de António Lello, entrar também para a sociedade, simplificando-se então o nome para "Livraria Lello". Cinco anos mais tarde, José da Costa afastou-se, recuperando-se a designação "Lello & Irmão". Raul Reis Lello faleceu em 1949 e António Lello em 1953. À frente da livraria, seguiram-se José Pinto da Silva Lello, falecido em 1971, e Edgar Pinto da Silva Lello, que faleceu em 1989.[1] A partir de 1995, o estabelecimento voltou a designar-se simplesmente "Livraria Lello".

Com o objetivo de se adaptar aos tempos presentes, em 1995, o serviço foi atualizado e informatizado, o interior da livraria foi restaurado, tendo também sido criado um espaço de galeria de arte e de tertúlia que se afirmou como um importante polo cultural da cidade do Porto.[3]

A partir de 23 julho de 2015, a entrada na livraria passou a estar sujeita a um pagamento inicial, descontado na compra de um livro.[4] O pagamento deste valor destinou-se a conter o número elevado de turistas e também a custear obras de conservação e restauro.[5] Em consequência da aplicação desta taxa, em apenas três meses, as vendas da Lello triplicaram.[6]

Em 30 de julho de 2016, foi concluída a primeira fase do restauro que incluiu a fachada, o telhado e o vitral interior. A vidraça de oito metros de comprimento por 3,5 metros de largura, composta por 55 painéis de vidro e da autoria do arquiteto holandês Gerardus Samuel van Krieken, foi desmontada pela primeira vez desde a sua existência. Foi alvo de limpeza, restauro e correção de danos, oferecendo agora uma luminosidade há muito esquecida.

Em 2016, a livraria foi visitada por mais de um milhão de pessoas, o que perfaz uma média de quase três mil visitas diárias. Dos visitantes 40% foram espanhóis, 15,9% franceses, 15,2% portugueses. Seguem-se os brasileiros (6,6%), os alemães (4,6%) e os norte-americanos (3,1%).[7]

Em Novembro de 2022, a Livraria Lello adquiriu um conjunto de 42 cartas escritas por Bob Dylan na década de 1950, por mais de 500 mil euros, num leilão em Nova Iorque.[8]