Klasycystyczny, długi, 15-osiowy budynek piętrowy (przechodzący w dwupiętrowy wraz ze spadkiem skarpy, na której jest położony), zwieńczony attyką balustradową. Usytuowany został wzdłuż północnego skrzydła pałacu Pod Blachą, przylegając krótszym bokiem do gotyckiego skrzydła zamku, przy wieży Grodzkiej. Budynek Biblioteki Królewskiej został zbudowany w latach 1779-82 według projektu Dominika Merliniego.
Stanisławowskie wnętrze gmachu jest jedynym ocalałym z pożogi II wojny światowej. Jest to długa biblioteczna sala (56 x 9 m), podzielona parami jońskich kolumn na trzy części, o ścianach rozczłonkowanych wnękami arkadowymi, w których niegdyś mieściły się szafy biblioteczne. Salę tę obiega stiukowy fryz z 28 medalionami przedstawiającymi symbole dziedzin reprezentowanych w zbiorach królewskich (nauka, technika, wojskowość, sztuki piękne, rzemiosło). Obecnie urządzane są tu wystawy czasowe.
W stoku skarpy mieści się w piwnicy loża masońska, z drugiej połowy XVII w., sklepiona kolebkowo, z wnękami w których ustawione są figury mitologicznych bóstw antycznych oraz posąg króla i rycerza w zbroi. W Bibliotece Królewskiej znajdowało się blisko 16 tysięcy tomów. Tu także król Stanisław August pomieścił swoje wspaniałe zbiory – gabinety rycin, numizmatyki i medali, kartografii, przyrządów mechanicznych, fizycznych i astronomicznych oraz eksponaty przyrodnicze, zbrojownię, zbiór antyków. Zbiory te świadczyły o pełnej przynależności króla do władców epoki Oświecenia. W 1814 wewnętrzną przebudowę gmachu przeprowadził Wilhelm Fryderyk Minter. W 1937 r. został rozebrany trakt budynku nad skrzydłem pałacu pod Blachą.