後來相繼成立了院圖書館的上海分館和蘭州分館以及二十多個所的圖書館。當時，院圖書館同它們的關系是業務領導關系。1956年以後，許多新的科學研究機構紛紛成立，全院圖書館事業得到迅速發展。全院圖書館分為三級，即院圖書館（又稱總館），分院圖書館和研究所（包括所、室、臺、站、隊、校等）圖書館。院圖書館對分院圖書館和研究所圖書館的關系改為業務指導關系。在上海、蘭州、武漢、成都分院圖書館的和壹些研究所圖書館的建設中，在制訂方針任務和規章制度方面，在搜集、交換、整理、供應書刊和培養幹部方面，院圖書館做了許多工作，為建立全院圖書館系統奠定了堅實的基礎。
陶孟和從領導圖書館工作以來，就壹直兢兢業業，為之傾盡心力。他指出，過去的老路有兩條，代表著兩種不同的圖書館類型，壹種是藏書樓，是封建時代傳下來的；另壹種是所謂新式圖書館，是從外國輸入的。但這些老的路子都不能走了，必須開辟壹條新的道路。這就是按著社會主義革命、社會主義建設的需要和要求來辦圖書館。他還指出，開門辦館，是辦好社會主義圖書館的方針，我們的圖書館要面向廣大的科學技術人員，工農知識分子，使需要我們圖書的人都能得到圖書，而且是主動的供應。圖書館工作人員要以人民的勤務員自居；主動地、殷勤地、千方百計為讀者服務。壹般說來，院圖書館可以面向全國，分院圖書館可以面向全地區，對於院內外讀者可以壹視同仁。門開得大些只有好處，沒有壞處。但開門也應該采取壹些措施，既要發揮圖書的最大效能，也要保障圖書不受損失。至於各研究所、室的圖書館，主要服務對象是本所、室的研究工作。對外開放的對象，只能是性質上鄰近的研究機構及生產戰線上的同行。
陶孟和提出的這種辦館思想，在1958年9月召開的中國科學院圖書館工作會議上得到了確定。
陶孟和壹貫提倡圖書館要為科學家服務。他曾於1956年722日在《人民日報》發表文章，題目就是《圖書館要為科學家服務》。他指出：“黨和政府向科學大進軍的號召，進壹步加重了圖書館為科學工作者服務的任務。圖書館歡迎這個光榮的任務，應該用壹切力量準備充分的科學文獻資料，足以隨時供應科學工作者的需要。”“目前重要的世界各國過去出版的科學典籍、期刊盡可能收購齊全，以供應用”，同時“由於今日科學的不斷進步，由於我們要爭取趕上國際先進科學水平，科學工作者尤其需要現在發行的科學書刊，就是今日正在陸續出版的圖書雜誌”。為了收購全部過去和現行的科學書刊，陶孟和提出“應該向兩個方面發展。壹方面是全國應該成立兩個或三個綜合性的科學圖書中心，盡可能地將各種科學的書刊收購齊全。”“另壹方面是發展專業圖書館。專業圖書館專收專業範圍以內的書刊，選擇精，取舍嚴，因之它的收藏對於壹定的科學工作者最為便利，最為有用。”“全國有兩三個科學圖書館中心和散在各地的各研究機構、專門學院、專業部門、生產部門等的專業圖書館結合起來，通力合作，有無相通，就可形成壹個供應科學文獻的大圖書館網。這個大圖書館網對我國科學研究工作，壹定可以起巨大的作用。”1957年8月，國家科學技術委員會采納了這些建議，成立了圖書組，聘請陶孟和為組長。接著，國務院頒布《全國圖書協調方案》，在北京、上海建立第壹、第二中心圖書館委員會，在各省、市、自治區建立地方中心圖書館委員會，做了大量的工作，如采購協調、集中編目、編制聯合目錄、培養圖書館幹部等，對促進向科學進軍，為科學家提供書刊資料起了很大的作用。
陶孟和在主持中國科學院圖書館期間，積極主張依靠科學家辦圖書館。他認為“要辦好圖書館必須具備三個條件：1、由於領導抓緊，監督其進行；2、有科技工作人員的經常予以協助；3、工作人員須有壹定的科學或文化水平和外文知識水平。”因此先後成立了三個委員會，聘請科學家協助辦圖書館。
第壹，成立了“中國科學院圖書委員會”。其任務是：（1）規定圖書館的發展方向，協助館長解決圖書館的重大問題；（2）指導圖書館如何配合院內外科學研究工作的進行；（3）指導圖書館采購圖書；（4）討論圖書館的基本建設事項。先後聘任的委員有錢三強、葉渚沛、張景鉞、王淦昌、傅鷹、嚴濟慈等。
第二，成立了“中國科學院圖書館選書委員會”，按數學、力學（包括自動化）、物理（包括電子學）、化學、生物、地學、技術科學等領域分別聘請專家參與工作。
第三，成立了“中國科學院科學圖書分類委員會”，目的是研究指導《中國科學院圖書館圖書分類法》的編制工作。其中：（包括）（1）編制圖書分類法的指導思想；（2）圖書分類法的體系結構；（3）起草各類的細目。
實踐證明，這三個委員會在中國科學院圖書館建設過程中都發揮了積極的作用。
科學書刊資料是科學研究人員不可少的信息源。所以陶孟和特別重視藏書建設。他從兩方面著手，壹方面是嚴格掌握訂購書刊的原則：既要買得精，又要切合實用。在這壹原則指導下，院圖書館采購人員廣辟書源，積極搜集和補充科技文獻資料。短短的幾年內，把近十年國內外出版的重要科技文獻補齊，壹些科研工作和生產建設需要的會議記錄、科技報告、政府出版物、專利說明書和技術標準等文獻都在這個時期開始大量搜集和補充，從而改變了原來館藏的面貌，為向科學進軍提供了充足的“糧草”。同時也形成了院圖書館歷史上重要的發展時期。
另壹方面，陶孟和親自過問和指導國際書刊交換工作，目的在於宣傳我國科學技術的成就和大量引進國外的科技信息。在交換工作中，他以豐富的國際知識和管理經驗，親自對英、美、日、德、法各國學術機構進行選擇交換對象和選擇雙方應交換的書刊名稱。他對國際書刊交換工作的經濟效益極為重視，他把出版物分為三種類型：高級、中級、壹般，有價格的標價，沒有價格的根據書刊質量估價，無論采用哪種交換方式，都盡量做到等價等量，每年工作總結都要把當年交換的經濟效益算出來，估計壹年為國家節約多少外匯。同時也註意交換書刊的質量，指示把交換來的書刊進行展覽，請科學家加以鑒定。竺可楨和吳有訓副院長等曾親自參觀展覽會，稱贊這項工作很有成績。
為了充分發揮圖書館的作用，根據陶孟和的指示，院圖書館編制了《新書公告》、《蘇聯期刊論文索引》、《自然科學期刊索引》、《全院化學期刊總目》、《俄文期刊總目》、《專利快報》、《專利文獻索引》以及《科技文獻索引》等。武漢分院圖書館編制了《化學論文專題索引》，蘭州分院圖書館編制了《農田水利及水土保持參考資料索引》，南京土壤所圖書館編制了《土壤學論文索引》等。這些書目、索引都受到科學研究人員的熱烈歡迎。
陶孟和經常教育圖書館人員要千方百計為讀者服務，並逐步提高服務質量。院圖書館建館初期，藏書不多，工作重點放在為各所補充圖書上。由於研究工作需要，從1956年開始擴充閱覽室，1957年增設專利文獻閱覽室和縮攝資料閱覽室。1958年5月，設立西郊服務站，1959年10月中關村書庫落成，即正式成立自然科學服務部，將城內的自然科學書刊遷入，為中關村各研究所科研人員使用，書刊使用率大大提高，當年出借書刊達到136756種276190冊，等於1956年全年借書量的五倍。在服務方式上，院圖書館除了來館借閱外，還開展了信函借書、送書上門，辦理國內外館際互借等項目。此外還註意了加強書刊報導、讀者輔導及參考咨詢工作，舉辦了新書陳列、專題展覽、學術報告會、專題講座等，向科研人員宣傳館藏、輔導讀者掌握查找文獻的方法，受到了科研人員的稱贊。各研究所圖書館在讀者服務方面也做出了很好的成績，普遍實行開架借閱，不少圖書館還開展了代查、代借、代復制和代譯文獻工作，很大程度上滿足了科研人員的用書要求。陶孟和看到後感到非常滿意。
早在1956年，陶孟和就呼籲：“為了廣泛地供應各方面對科學文獻資料的需要，為了使每個圖書館都能設備充分的復照工具，包括照相機、顯微影片復制機等，隨時做出復制拷貝，以應需要。”到1959年，他更進壹步指出圖書館必須向機械化、自動化方面前進。他說：“圖書館工作和情報工作在今天都是管理盈千累萬的文獻的工作，由於文獻的日益增多，手工作業已經逐漸不能適應需要，因此就必須向機械化、自動化這方面前進。我們期待著科技工作者對於文獻的閱讀、搜尋乃至翻譯諸方面的機械化、自動化，多給我們指教和幫助。例如關於顯微片鏡頭的設計和制造，穿孔卡片的搜索機，自動翻譯的電子計算機等，都是我們應該及早趕上國外的進展的。”對於這壹觀點，大家都感到陶孟和很有遠見。
陶孟和十分註意圖書館幹部的培養和訓練。當他剛兼任圖書館館長時，就於1951年3月5日召開第壹次館務會議，對圖書館工作同誌提出具體要求。他說：“本院根據51年第1次院長會議之決議，行政更改方面，各院長分工負責，本人即負責圖書館的任務。現在在人民政府領導下，各樣的事業都在向前發展。圖書館是促進提高文化水平的壹個機構，當然是更重要的事業。其業務之擴大，是必然之勢。……所以我對館內諸位工作同誌有幾點要求：（1）在圖書館工作要有為大眾服務的精神，要滿足讀者的要求，要愛惜書本。自己喜歡閱讀當然也是好的現象，不過要做到先公後私，先人後己的精神。（2）科學院的圖書館性質又不同壹般圖書館，大概都是供專門科學人才閱讀的書籍多，所以在本院圖書館工作人員特別是各所負責圖書的同誌，對於所藏書籍的分門別類要有明確的了解，讀者要參考哪壹種問題或哪壹類性質的書，可以隨時找出，以供閱讀。（3）各人要精通本崗位的業務，將來龐大的任務來臨，我們應付裕如，不致茫無所措。現在本館已組織了壹個業務學習班，這是很好的，我希望把它由淺入深，由簡到繁，成壹個規律性的而且正常化起來。”接著指出“院館、分院館在幹部訓練培養上多做壹些努力。開辦短期訓練培養在職幹部，是有效的辦法。在工作中也要有計劃地培養年輕的工作人員，壹方面給予條件，要他們學習業務知識、語文及科學知識。壹方面要大膽地交各種工作給他們做，在工作中鍛煉他們，即可多快好省地培養，”他還說：“在幹部工作中註意培養新生力量。扶持他們，愛護他們，使他們很快成長起來。年長的專家們要把自己的知識經驗無保留的傳授給妳們的接班人，青年也尊重前輩，虛心向前輩學習。”根據陶老的指示，解放初期，院館辦過三次講習班。1956年院館又辦壹次大型學習班。1959年院館與武漢分院圖書館、上海分院圖書館分別在武漢和上海聯合舉辦三期圖書館訓練班，1960年到1962年，院圖書館又連續兩次在北京舉辦圖書館訓練班，使全院1000多名圖書館幹部受到基本訓練，提高了業務水平。1958年，院編譯出版委員會又組織院圖書館和科學出版社、中國科學院情報研究所聯合舉辦了科學情報大學，翌年並入中國科技大學，成立了科學情報系，培養了壹批圖書、情報、出版人才，其中有很多人後來成為業務部門的領導或學術帶頭人。
陶孟和熱愛青年，提攜後學，誨人不倦。他在圖書館，對待青年幹部更是循循善誘，勉勵他們多多學習，鉆研業務，尤其是文獻采訪工作和國際交換工作同誌遇到問題找到他時，他總是不厭其詳地為他們解釋疑難，解決問題。陶副院長以七十多歲的高齡，時常帶病到館主持工作，親自坐到國際書刊交換組辦公室審核交換的信件和交流的書刊。他的言傳身教，影響至深。
總的說來，在陶孟和的領導下，中國科學院圖書館事業在全國解放後短短的十年中發展很快，全院圖書館數量由1950年的17個發展到1959年的200多個，藏書也由1950年的6.3萬冊增加到1959年的600萬冊以上。這些藏書都是國內最有用、最珍貴的科技文獻，對我國科學研究事業的發展起著很重要的作用。
陶孟和早年治社會學，但在新中國成立後不久，由於社會學被當作偽科學遭到否定，也由此嚴重影響了對陶孟和的公正評價和合理使用。當1957年整風動員知識界鳴放時，陶孟和提出意見，認為“舊知識分子之未得其用……以中國幹部之缺乏，有材者不用，而無材者充數，以致釀成許多混亂。”後來在反右鬥爭的高潮中，在批判費孝通等所謂“恢復資產階級社會學和經濟學的政治陰謀”的大會上，陶孟和直言不諱地說：在社會主義社會裏，人們相互間的關系和社會的進步，依靠的是友愛，而不是仇恨，知識分子應發揮他們的作用，而不應當受到敵視。他還有過知識分子在政治運動中遭受“浩劫”這類的驚世駭俗的言論。後來他曾被內定為右派分子，中國科學院副院長的地位使他受到了保護，沒有受到多少沖擊。
1960年4月，陶孟和抱衰病之軀赴上海參加中國科學院第三次學部會議，抵上海後第三日，突發急性心肌梗塞，經搶救醫治無效，於4月17日中午逝世，享年73歲。4月28日，在北京中山公園中山紀念堂舉行了公祭，靈堂中擺有黨和國家領導人劉少奇、周恩來等送的花圈。