Exterior de la biblioteca
La biblioteca fundada por Felipe II en el monasterio del Escorial no sólo responde a una de las principales preocupaciones que tuvo el Rey a lo largo de su vida, la del coleccionismo y atesoramiento de libros, sino también a uno de los ideales fundamentales del humanismo. De hecho, humanistas de gran talla, como Juan Páez de Castro, Juan Bautista Cardona, Antonio Agustín, Ambrosio de Morales, Benito Arias Montano, etc., colaboraron en los planes del monarca de crear una biblioteca regia. La biblioteca está emplazada sobre el vestíbulo de la entrada principal y recibe luz abundante por cinco ventanas y cinco balcones que dan al Patio de los Reyes (abajo), y siete ventanas que dan a la Lonja de poniente (arriba). La biblioteca sigue ocupando el mismo lugar que la vio nacer y mantiene vivo su aspecto original.
Interior de la biblioteca: Salón principal o Salón de los frescos
La planta rectangular de la biblioteca está inspirada en la biblioteca Laurenziana de Miguel Ángel. A partir de ella se configuró un nuevo modelo espacial de librería. En vez de las tres naves tradicionales de tipo monacal la nueva biblioteca se compondrá de una sola nave alargada, con ventanas muy bajas que inunden de luz ese gran espacio rectangular.

Y aunque el fondo principal fue siempre el bibliográfico, la biblioteca contó desde sus inicios con instrumentos matemáticos, astrolabios, esferas armilares, globos terrestres, dibujos y grabados, reproducciones de fauna y flora, monetario y medallero, etc. Este fondo se originó a partir de la propia colección privada del rey Felipe II.
Esta sala también lleva el nombre de Salón de Impresos, puesto que en él, por disposición de Fray Sigüenza, se colocaron los libros impresos de autores antiguos, griegos, latinos o hebreos.
Una de las piezas más conocidas de esta sala es la esfera armilar, que representa el sistema solar según las teorías de Ptolomeo y que se utilizaba para el estudio de los movimientos de los astros. Fue construida por Antonio Santucci en Florencia hacia 1582, para el cardenal Fernando de Medici, quien, ese mismo año, la envía como presente a Felipe II. La colocó en sus aposentos del Alcázar de Madrid, pero enviarla posteriormente al Monasterio. A partir de 1593 forma parte del mobiliario de la Biblioteca.
Pintura de las bóvedas
El salón está cubierto con una bóveda de cañón dividida en siete tramos en los que se sigue el tradicional esquema de colocar el tema principal en el compartimiento central: las siete Artes Liberales en forma de matronas: Gramática, Retórica y Dialéctica -Trivium- y Aritmética, Música, Geometría y Astrología -Quatrivium-.
Las escenas subordinadas -los personajes insignes y las historias relacionadas con cada una de las ciencias- en su parte inferior. En el friso que va desde la parte alta de las estanterías hasta la cornisa se pintaron 14 escenas: dos relativas a cada arte liberal. Y encima de la cornisa, cada arte liberal va acompañada de cuatro sabios, elegidos entre los más insignes y representativos de cada ciencia.
Los temas de los frescos fueron ideados seguramente por Juan de Herrera y Fray José de Sigüenza y realizados por Pellegrino Tibaldi y sus colaboradores, entre ellos Bartolomé Carducho. No hay duda de que Tibaldi, como otros muchos artistas, se sintió especialmente atraído por las dificultades que presentaba el techo de la Capilla Sixtina como superficie pictórica, y, tanto la estructura de la bóveda, su simulada arquitectura, su división de los espacios simulados, como también la realización pictórica desde el punto de vista formal representan un devoto homenaje a la Sixtina.
El plan general de la Biblioteca se completa con los dos testeros, con las personificaciones de la Filosofía (lado norte o del colegio) (arriba) y la Teología (lado sur o del convento) (abajo).
La estantería
La estantería se extiende a lo largo de los muros, sólo interrumpida por los huecos de las ventanas, los espacios que ocupan una serie de retratos y las puertas de los testeros por donde se accede al salón. Está realizada en una gran variedad de maderas, ofreciendo un bello contraste de colores. Las principales son: granadillo, ácana, naranjo, roble y caoba. Los libros están colocados por temas y por tamaño, y dispuestos de una forma un tanto original, es decir con el canto dorado hacia el exterior, con lo que ofrece un aspecto de gran uniformidad. Toda la estantería consta de 54 estantes, que en la actualidad están numerados.
Al principio los estantes estaban abiertos, sin las puertas y telas metálicas que hoy se ven y que se pusieron en el siglo XVIII durante el reinado de Fernando VI como medida de protección. Por los archivos del Monasterio se sabe que las trazas del mobiliario son de Juan de Herrera, que unía la misión de arquitecto con la de supervisor de todas las labores de decoración del edificio. Así podía insistir en la aplicación del estilo clasicista de la arquitectura hasta en los menores detalles, para garantizar así la unidad y majestuosidad del conjunto. El ensamblador italiano Giuseppe Freccia, contratado en 1575 para hacer todas las obras en madera del edificio, fue el encargado de realizar la estantería. Los ensambladores españoles Gamboa, Serrano, Quesada y Aguirre le ayudaron a realizarla, según las datas de pago de estos años.
Otros recintos bibliotecarios
La Biblioteca disponía de otros dos espacios dentro del edificio. El llamado "salón alto" se encontraba encima del salón principal, del que es como una segunda planta superpuesta y simétrica. Aquí estuvieron todos los libros desde 1587 hasta que se terminó la estantería del salón principal en 1593. Hoy lo usa el Colegio Alfonso XII de los Agustinos para temas académicos.
El segundo espacio es el denominado "Salón de verano". En su momento fue la sala destinada a los manuscritos; hoy alberga libros impresos, la mayoría modernos. Desde él, una escalera de madera conduce a la planta baja, el actual salón de manuscritos.
El actual salón de manuscritos era la antigua ropería del monasterio (arriba). Fue destinado a Biblioteca de manuscritos por san Antonio María Claret -responsable del Monasterio desde el 1858 al 1868-, quien ordenó trasladar a este salón los manuscritos, que desde el devastador incendio de 1671 se encontraban en el salón alto.