En plus de faire don à la bibliothèque du monastère des nombreux codex qu'il possédait, Philippe II a également ordonné l'achat des meilleurs livres et bibliothèques d'Espagne et d'ailleurs. Juan de Herrera l'a créée et Juan Bautista de Toledo l'a placée dans la tour centrale disparue de la façade sud, enfermant l'atrium de la basilique et intégrant la façade principale. Les étagères qu'elle contient ont également été conçues par Herrera. Elle se trouve dans une grande nef qui mesure 54 mètres de long, 9 mètres de large et 10 mètres de haut. Le sol en marbre et les étagères sont en bois finement sculpté.

Pour son premier catalogue, Arias Montano a choisi certaines des pièces les plus significatives. Il possède une collection de plus de 40 000 titres d'une valeur extraordinaire. Il a obtenu le droit de recevoir un exemplaire de chaque livre imprimé en Espagne en 1616, bien que ce privilège n'ait jamais été complètement réalisé.

Des fresques représentant les sept arts libéraux - rhétorique, dialectique, musique, grammaire, arithmétique, géométrie et astrologie - décorent la voûte en berceau de la bibliothèque. Parmi les bibliothèques se trouvaient les portraits de plusieurs rois d'Espagne, dont le célèbre Philippe d'argent (Philippe IV en costume de marron et d'argent), un tableau de Velázquez qui est aujourd'hui exposé à la National Gallery de Londres. Selon le programme iconologique du père Sigüenza, Pellegrino Tibaldi a peint les fresques des voûtes.

La décision de Philippe II de donner sa bibliothèque aux moines du monastère pour créer un centre de sagesse plutôt que de la diviser entre ses autres palais, comme Aranjuez, Valsan ou l'Alcazar de Madrid, et donc d'en faire don uniquement à ses héritiers, a dû être influencée par la réputation de Salomon comme roi sage par excellence de la Bible.