Ospitata nel corpo di fabbrica che chiude Piazzetta Reale la biblioteca è ospitata nel grande salone rettangolare, posto al pian terreno, con grandi volte a botte affrescate opera dell'architetto Pelagio Palagi. All'interno della biblioteca è custodito un ricchissimo patrimonio di manoscritti e opere librarie e documenti appartenenti al periodo Sabaudo. Nella biblioteca sono inoltre custoditi incunaboli, pergamene e codici militari oltre al famosissimo Autoritratto di Leonardo da Vinci (esposto solo in alcune occasioni) e lo studio preparatorio della Vergine delle Rocce il cui quadro è custodito al museo del Louvre.

Anche la Biblioteca Reale è parte del percorso di visita del Polo Reale.