A la fi del segle XIX i primeres dècades del segle XX, s'obre un segon moment de les col·leccions artístiques de la Biblioteca, assenyalat per dues fites fonamentals: en primer lloc, per la creació del Museu Arqueològic en 1867 a partir de les col·leccions de l'antic Museu d'Antiguitats de la Biblioteca i, en segon lloc, per la seva instal·lació en 1896 a la seva actual seu en un edifici compartit llavors amb altres museus i institucions: el Palau de Biblioteques i Museus Nacionals. A aquests anys correspon la major part del mobiliari històric, així com retrats de bibliotecaris, directors de la Biblioteca o literats tals com José Espronceda, José Zorrilla, Juan I. Hartzenbusch, Manuel Tamayo i Baus o Marcelino Menéndez Pelayo. Signats per autors com Ignacio Suárez Plans, Antonio María Esquivel o José i Federico de Madrazo, alguns donen compliment a una disposició del reglament de la Biblioteca de 1875, pel qual aquesta tindria entre les seves funcions la de reunir una col·lecció de retrats dels literats espanyols. Una altra important sèrie pictòrica d'aquest període és la del Quixot realitzada i donada per Antonio Muñoz Degrain per decorar la Sala Cervantes (1920).

De finals del segle XX daten altres conjunts, com el dels retrats dels guardonats amb el Premi Cervantes que, per disposició del Ministeri de Cultura s'encarreguen cada any, des de 1999.

Escultures, mobiliari, instruments musicals, aparells de música mecànica, màquines d'escriure i utillatge industrial relacionat amb les arts del llibre, tant amb l'enquadernació com amb la tipografia i el gravat conformen el conjunt d'aquesta col·lecció, marcada per un caràcter heterogeni, així mateix testimoniatge de l'evolució de la institució al llarg de les seves més de tres-cents anys d'història.