A finales del siglo XIX y primeras décadas del siglo XX, se abre un segundo momento de las colecciones artísticas de la Biblioteca, señalado por dos hitos fundamentales: en primer lugar, por la creación del Museo Arqueológico en 1867 a partir de las colecciones del antiguo Museo de Antigüedades de la Biblioteca y, en segundo lugar, por su instalación en 1896 en su actual sede en un edificio compartido entonces con otros museos e instituciones: el Palacio de Biblioteca y Museos Nacionales. A esos años corresponde la mayor parte del mobiliario histórico, así como retratos de bibliotecarios, directores de la Biblioteca o literatos tales como José Espronceda, José Zorrilla, Juan E. Hartzenbusch, Manuel Tamayo y Baus o Marcelino Menéndez Pelayo. Firmados por autores como Ignacio Suárez Llanos, Antonio María Esquivel o José y Federico de Madrazo, algunos dan cumplimiento a una disposición del reglamento de la Biblioteca de 1857, por el cual ésta tendría entre sus funciones la de reunir una colección de retratos de los literatos españoles. Otra importante serie pictórica de este periodo es la de Don Quijote realizada y donada por Antonio Muñoz Degrain para decorar la Sala Cervantes, inaugurada en 1920.

De finales del siglo XX datan otros conjuntos, como el de los retratos de los galardonados con el Premio Cervantes que, por disposición del Ministerio de Cultura se encargan cada año, desde 1999.

Esculturas, mobiliario, instrumentos musicales, aparatos de música mecánica, máquinas de escribir y utillaje industrial relacionado con las artes del libro, tanto con la encuadernación como con la tipografía y el grabado conforman el conjunto de esta colección, marcada por un carácter heterogéneo, asimismo testimonio de la evolución de la institución a lo largo de sus más de trescientos años de historia.