Además de donar a la Biblioteca del Monasterio, los numerosos códices que poseía, Felipe II ordenó la compra de los mejores libros y bibliotecas de dentro y fuera de España. Juan de Herrera la creó, y Juan Bautista de Toledo la colocó en la desaparecida torre central de la fachada sur, cerrando el atrio de la Basílica e integrando la fachada principal. Las estanterías que alberga también fueron diseñadas por Herrera. Se aloja en una nave de grandes dimensiones que mide 54 metros de largo, 9 de ancho y 10 de alto. El suelo de mármol y las estanterías son de madera tallada.

Para su primer catálogo, Arias Montano eligió algunas de las piezas más significativas. Posee una colección de más de 40.000 títulos de extraordinario valor. En 1616 se le concedió el derecho a recibir un ejemplar de cada libro impreso en España, aunque este privilegio nunca llegó a materializarse del todo.

Los frescos de las siete artes liberales retórica, dialéctica, música, gramática, aritmética, geometría y astrología decoran el techo de bóveda de cañón de la biblioteca. Entre las estanterías había retratos de varios reyes españoles, entre ellos el conocido Felipe de Plata (Felipe IV con traje de castaño y plata), un cuadro de Velázquez que hoy se exhibe en la National Gallery de Londres. Según el programa iconológico del padre Sigüenza, Pellegrino Tibaldi pintó los frescos de las bóvedas.

La decisión de Felipe II de ceder su biblioteca a los monjes del Monasterio para crear un Centro de Sabiduría en lugar de repartirla entre sus otros palacios, como Aranjuez, Valsán o el Alcázar de Madrid, y donarla así sólo a sus herederos, debió de estar influida por la fama de Salomón como el rey sabio por excelencia de la Biblia.