تاريخ كتابخانه آستان قدس رضوي با فراز و فرودهاي گوناگون تاريخي در خراسان و مشهد مقدس پيوند خورده است. نخستين بارقه پيدايش اين جلوه قدسي، شش قرن پيش از اين در اثر خيرخواهي و ايمان راستين واقفان و اهداء كنندگان با اخلاص و بي نام و نشان بوده، سپس عواملي نظير روي آوردن طلاب علوم ديني مقيم شهر مشهد مقدس، زائران فاضل و دور انديش و بذل عنايت خادمان و شيفتگان بارگاه امام رضا(ع) موجبات رونق آن را فراهم آورده است.
از حدود سال 1150 هجري قمري،‌ مكان ويژه اي براي كتابخانه در نظر گرفته شد،‌اما توجه جدي به جايگاه كتابخانه به اوايل قرن 14 شمسي برمي گردد. همين امر مهمترين سبب شتاب در روند توسعه كتابخانه و اقبال روزافزون محققان و كتاب خوانان به اين مكان به شمار مي رود. گرچه در طول ساليان بارها محل كتابخانه تغيير يافته اما همواره در جوار مرقد مطهر و داخل حوزه اماكن متبركه قرار داشته است.
نخستين بناي جامع و مستقل كتابخانه در سال 1330 ش. در ضلع شمال غربي رواق امام خميني (ره) كنوني (صحن امام خميني سابق) ساخته شد. سپس در سال 1356 ش. به ساختمان جديد و وسيعي واقع در طبقه فوقاني موزه آستان قدس رضوي واقع در ضلع شرقي همان رواق انتقال يافت.
ساخت بناي با شكوه ساختمان كنوني نيز كه از سال 1360 ش. آغاز شده بود در سال 1372 ش. با مساحت 800/28 متر مربع زيربنا به پايان رسيد و از نيمه دوم سال 1373 ش. مورد بهره برداري قرار گرفت.
اين ساختمان عظيم در سالروز ميلاد فرخنده حضرت ثامن الجج (ع) مطابق با 22 فروردين سال 1374 شمسي طي مراسم با شكوهي با حضور رئيس جمهور وقت، حضرت آيت ال... هاشمي رفسنجاني ، مقام منيع توليت عظماي آستان قدس رضوي، جمع كثيري از شخصيتهاي فرهنگي، پژوهشگران و شماري از كتابداران به طور رسمي گشايش يافت. 
گذري در ساختمان کتابخانه مرکزي
نمازخانه: با سقف و بدنه چوبي مشبك و مساحتي حدود 120 مترمربع كه شبكه‌هاي چوبي آن مانند طرحهاي مشبك مقابر متبركه ساخته و نصب شده است. در وسط نمازخانه، ستوني چوبي جلب توجه مي‌كند. اين ستون شبيه نخلي است كه شاخ و برگ آن،سقف مسجد را پوشانده و به آن‌، جلوه‌اي بسيار زيبا و عارفانه بخشيده است. نخلي از چوب كه يادآور ستونهاي مسجد قبا _اولين مسجد اسلام كه به دست مبارك پيامبراكرم (ص) در مدينه‌النبي بنا گرديد- مي‌باشد. قطعات چوبي سقف به صورت برگهايي كوچك و بزرگ با طرحي حساب شده در كنار هم قرار گرفته‌اند و اسامي ائمه معصومين (ع) و سپس متناسب با سطح برگ، نامها و صفات حضرت باري‌تعالي روي آنها كنده‌كاري شده است. در اطراف سقف مورد اشاره حديث شريف «من كنت مولاه فهذا علي مولاه» به سبك معرق چوب با تركيبي از سياه مشق مكرر و به خط ثلث در دو رنگ قهوه‌اي كم‌رنگ و تيره تحرير شده است.
چراغهاي سقف، دست‌ساز است و هر يك، در قابهاي كوچك شيشه‌اي سندبلاست و مزين به كلمه مباركه «ياخالق النور» در يك طرح دايره‌اي تكرار شده است. روي شيشه چراغهاي بزرگ‌تر چهار گوشه سقف مسجد، آيه شريفه «الله نور السموات و الارض» حك شده است. از مجموع قابهاي كوچك و چهار قاب بزرگ، نور ملايمي در فضاي مسجد پخش مي‌شود كه فضاي معنوي و دل‌انگيزي به آن مي‌بخشد.
بدنه نمازخانه كاملاً قاب بندي چوبي شده و دور تا دور داخل هر قاب، يك كار كامل اسليمي به سبك معرق چوب اجرا شده است. دو عدد از اين قابها با ابعاد 2×2 متر به صورت طرح شمسه 32ضلعي ساخته شده است، در وسط يكي از آنها نام حضرت علي (ع) و در دومي نام مقدس حضرت فاطمه (س) ديده مي‌شود. در اطراف هر يك از اسامي فوق و به طور شعاعي، 32 حديث نبوي در ارتبـاط بـا مـقام و شخصيـت آن حضـرات از منابع اهل تسنن به طرزي نوشته شده است كه روايات سمت راست به نام آن حضرات، ختم و احاديث سمت چپ با نام آنها شروع مي‌شود. 
ورودي كتابخانه:
از بست شيخ طـوسـي كه وارد كتابخانه مي‌شوي در ديـواره‌هاي شمالي ايوان ورودي، دو كتيبه سنگي، حجاري و مطلا شده كه مبين سابقه تاريخي كتابخانه مركزي آستان قدس، مناسبت ساختمان جديد، و تاريخ افتتاح و بهره‌برداري است. يكي از اين كتيبه‌ها به زبان فارسي و با خط جلي نستعليق و ديگري به زبان عربي و با خط جلي رقاع مي‌باشد. در كنار پله‌ها چهار عدد كتيبه معرق سنگي به صورت يك كار ابتكاري و بديع حجاري شده است و متضمن چهار متن از بنيانگذار جمهوري اسلامي ايران و رهبر معظم انقلاب به زبان فارسي و خط نستعليق شكسته مطلا مي‌باشد. در مقابل پله‌ها، اتاقهاي امانات مراجعان واقع شده است. سقف اين اتاقها با گچ‌بريهاي مقرنس رنگ‌آميزي شده و با نوار طلايي در نبشها تزيين شده است. ديوارهاي اين قسمت به صورت گره سنگي با تركيبي از سنگ سفيد و درزهاي كاشي لاجورد و طغاري پوشش شده كه از تركيب درزهاي لاجورد شعار لااله الا الله متجلي است.
در سالن ورودي جنب اين فضا در يك قسمت پله‌هاي اصلي عمومي طبقات واقع شده كه در سقف انتهايي گچ‌بريهاي بسيار متنوع اعم از قطار مقرنس در اطراف، چهار عدد لوستر گچي مقرنس به صورت آويز و شبكه گچ‌بري بسيار زيبا و هنرمندانه در اطراف آن به منظور تأمين نور طبيعي فضا اجرا گرديده است. در بخش ديگري از ديوار اين ورودي، چهره حضرت امام (ره) و مقام معظم رهبري گچ‌بري و مطلا شده است كه حاشيه آن به صورت جالبي نقاشي شده است و در طرف ديگر اين تابلو، آيه شريفه «اطيعوا الله و اطيعوا الرسول و اولي‌الامر منكم» نقش بسته است. در قسمت راست اين ورودي بخش گردش و امانت كتاب واقع شده است. ديوار سمت چپ همين قسمت در سه بخش، قاب‌سازي گچي شده و در هر بخش، تابلوهايي به ابعاد 5×2 متر با استفاده از آياتي از قرآن كريم متناسب با موضوع علم و دانش، گچ‌بري جالب توجهي شده است.
در ميانه ساختمان در طبقه همكف دو حياط به ابعاد 20×33 متر منظور شده است. معماري اين حياطها به سبك سنتي با ايوانهايي در اطراف است كه در طبقات از طريق سالنها قابل استفاده مي‌باشد و در عين حال نور طبيعي كافي براي سالنها تأمين مي‌نمايد. نماسازي اين حياطها تلفيقي از آجر و كاشي به صورت كارهاي بازوبندي شده و رگ‌چيني آجري و در سقفها از رسمي‌بندي گچي استفاده شده است. كنجها هشت ايوان در اضلاع كناري دو به دو مرتبط گرديده و از مقرنس گچي كه غرفه و ايوان جلو را به هم متصل كرده كاربندي گرديده است. در دربهاي چوبي اين حياطها كار گره متضمن 50 بيت مديحه مربوط به خراسان، خطاطي و به صورت معرق اجرا شده است.
در تمام چهار سردر از رو به قبله آيه مباركه «ن و القلم» نوشته شده است. در وسط يكي از حياطها آب‌نماي سنگي با مخزن آب اضطراري آتش‌نشاني در زير آن واقع شده و در چهار كنج، چهار باغچه قرار دارد كه وسط هر باغچه پايه سنگي با چراغهاي فانوسي كالسكه‌اي نصب شده است. در وسط حياط ديگر يك نورگير سنگي قرار دارد كه از اطراف به زيرزمين نور مي‌دهد و در قسمت بالاي آن ماكت قرآن كريم و در اطراف قرآن تعدادي كتب سنگي كه بر روي آنها اسماء مختلف قرآن و كتابهاي مرجع اسلامي حجاري شده است نصب گرديده است. در طبقه زيرزمين، در قسمت تحتاني آمفي تئاتر سالن نسبتاً بـزرگي با تجـهيزات كـافي به صورت سلـف سـرويس جهت سرويس دهي و پذيرائي قرار گرفته و در ساير قسمتهاي زير زمين تالارهاي قفسه باز آقايان، بانوان و كودكان و نيز تالارهاي سمعي و بصري، آرشيو خراسان و طوس، آرشيو مطبوعات و آرشيو اسناد، مركز كامپيوتر و بايگاني و نيز قلعه كتاب به حجم 120 مترمكعب با ملزومات كافي فني و اجرائي و موتورخانه واقع شده است. 
تالار قدس
تالار قدس يكي از شاهكارهاي هنر اصيل اسلامي به شمار مي‌رود. هدف از ساختن اين تالار، ايجاد فضايي براي برگزاري كنگره‌ها، سمينارها و گردهمايي‌هاي داخلي و خارجي مي باشد.
اين تالار با ابعاد 40 در 25 متر، داراي 761 صندلي مجهز به سامانه‌هاي صوتي و تصويري و ترجمه همزمان است. ديوارهاي تالار با مضامين قرآني، احاديث نبوي و روايات ائمه معصومين (ع) آراسته شده و توسط هنرمندان آستان قدس رضوي به طرز ماهرانه‌اي گچبري و تذهيب شده است.