Felipe II cedió a la Biblioteca del Monasterio los ricos códices que poseía y para cuyo enriquecimiento encargó la adquisición de las bibliotecas y obras más ejemplares tanto de España como del extranjero. Fue proyectada por Juan de Herrera cerrando el atrio de la Basílica y unificando la fachada principal, ya que Juan Bautista de Toledo la situaba en la desaparecida torre central de la fachada Sur. Herrera también se ocupó de diseñar las estanterías que contiene. Se ubica en una gran nave de 54 metros de largo, 9 de ancho y 10 metros de altura con suelo de mármol y estanterías de ricas maderas nobles ricamente talladas.
Arias Montano elaboró su primer catálogo y seleccionó algunas de las obras más importantes para la misma. Está dotada de una colección de más de 40.000 volúmenes de extraordinario valor. En 1616 se le concede el privilegio de recibir un ejemplar de cada obra publicada en España, aunque tal cosa nunca se llegó a cumplir del todo.
La bóveda de cañón del techo de la biblioteca está decorada con frescos representado las siete artes liberales, esto es: Retórica, Dialéctica, Música, Gramática, Aritmética, Geometría y Astrología. Entre los estantes de libros se colgaron retratos de diversos monarcas españoles, entre ellos el famoso Silver Philip (Felipe IV con traje castaño y plata) pintado por Velázquez, y que ahora está en la National Gallery de Londres. Los frescos de las bóvedas fueron pintados por Pellegrino Tibaldi, según el programa iconológico del Padre Sigüenza.
La fama de Salomón como el rey sabio por excelencia de la Biblia debió condicionar la decisión de Felipe II de donar su biblioteca a los monjes del Monasterio para crear un Centro de Sabiduría, en vez de repartirla por sus otros palacios, como Aranjuez, Valsaín o el Alcázar de Madrid, y donarla así solo a sus herederos.
