Biblioteka wprowadziła się do budynku w 1553 r.; budynek nie został jednak w pełni ukończony do tego momentu, ostatnie prace przy nim przeprowadził Vincenzo Scamozzi w 1588 r.; Scamozzi objął kierownictwo budowy po śmierci Sansovina, która nastąpiła w 1570 r.
Przy ozdabianiu gmachu pracowali między innymi tacy artyści jak Tycjan, Paolo Veronese, Alessandro Vittora, Battista Franco, Giuseppe Porta, Bartolomeo Ammannati i Tintoretto.
Jednopiętrowy budynek posiada parter ozdobiony arkadami w porządku doryckim, powyżej którego znajduje się belkowanie doryckie złożone z naprzemiennych tryglifów i metop; ponad nim znajduje się piętro zbudowane w porządku jońskim, ponad którym umieszczono bogaty fryz, na którym przedstawiono putta i festony z kwiatów; połacie ponad obramieniami łuków wewnętrznych serlian wypełniono bogatą dekoracją rzeźbiarską. W zwieńczeniu znajduje się balustrada, na której ustawiono posągi bóstw greckich i rzymskich, dzieła Alessandra Vittorii i innych znanych artystów.
Zbiory Biblioteca Nazionale Marciana posiada szczególnie bogate zbiory z zakresu filologii klasycznej i historii Wenecji.