Biblioteka była integralną częścią muzeum, które uroczyście otwarto w 1876 roku.
Podczas II wojny światowej biblioteka została zamknięta, jednak nadal z jej zbiorów korzystali polscy uczeni i badacze. Zbiory biblioteki zostały zrabowane, a tylko część z nich udało się odzyskać. W 1950 roku zbiory biblioteczne i muzealne trafiły pod opiekę państwa jako depozyt w Muzeum Narodowym w Krakowie. Na ten cel wybudowano oddzielną siedzibę, którą zaprojektował Marian Jaroszewski. Budynek został wzniesiony w latach 1958–1960 na miejscu zburzonej w 1939 roku oficyny tylnej Pałacu Wodzickich przy ulicy św. Jana 11. Przeprowadzka księgozbioru do nowej siedziby zakończyła się w 1961 roku. W roku 1971 Biblioteka Czartoryskich uzyskała status biblioteki naukowej o profilu humanistycznym.
29 grudnia 2016 roku Fundacja Książąt Czartoryskich, będąca prawnym właścicielem zbiorów od 1991 roku, przekazała bibliotekę oraz inne dobra na własność Muzeum Narodowemu w Krakowie. W 2024 roku rozpoczęła się przebudowa i rozbudowa budynku biblioteki, prowadzona przez Muzeum Narodowe, planowana na lata 2024-2028, współfinansowana ze środków Unii Europejskiej.