Диодор посвятил 30 лет созданию своих исторических сборников (Bibliotheca Historia) и предпринял для этого ряд путешествий. В 50-х годах до н. э. он посетил птолемеевский Египет, где стал свидетелем расправы толпы над одним римским гражданином, случайно убившим священное в тех краях животное — кошку. Только через 25 лет, уже после смерти Диодора, император Октавиан превратит Египет в римскую провинцию. Практически одновременно с Диодором, пишущем на греческом и в основном о греках, создавал историю своего народа римлянин Ливий.
«Историческая библиотека» Диодора состояла из 40 книг, разделенных на 3 части:
Диодор собрал сведения от многих авторов, известны Гекатей из Милета, Геродот, Гиероним из Кардии, Дионисий, Дурис (историк), Клитарх, Ктесий Книдский, Мегасфен, Полибий, Посидоний, Тимей из Тавромения, Феопомп, Эфор и др. — всего известно 87 имен древнегреческих авторов, на которых он ссылается в своем труде. В своем сочинении он не слишком увлекался анализом, скорее монотонно перечислял последовательность событий, вставляя целые фрагменты оригинальных авторов. Но «Историческая библиотека» не является сочинением компилятивного характера. В ходе изучения трудов Диодора было доказано, что в большинстве случаев полученный из оригинальных источников материал подвергался литературной обработке. Диодор является единственным источником сведений о продолжительных исторических периодах и служит хорошим дополнением к периодам, освещённым другими авторами. Эпоха диадохов у него отражена наиболее полно, как и история Древней Греции после персидских войн до Пелопонесской войны. Диодор допускает ошибки в римской хронологии, что не удивительно для человека, для которого латинский не родной язык.
«История» Диодора выжила частично, полностью дошли до нашего времени книги I—V и с XI по XX, а также фрагментарно книги IX и X. Последнее полное собрание сочинений исчезло, когда турки разграбили византийский Константинополь в 1453 году. Остальные книги известны по фрагментам, которые цитировали в своих трудах византийские авторы. Европа открыла для себя Диодора в середине XVI века, когда его книги (на языке оригинала) были напечатаны в Швейцарии.
Полный русский перевод сочинения Диодора Сицилийского был опубликован в 1774—1775 гг. тиражом 300 экземпляров, причем в 1808 году 237 оставшиеся книги (не удалось продать) были проданы на вес как бумага. С тех пор публиковались лишь отдельные главы и книги. Сделанный в конце XX века новый перевод пока не опубликован.