天一阁博物馆现藏古籍30余万卷，约16万册，其中3万多册为善本，有一千余种书据《中国古籍善本书目》著录为孤本。藏书中经、史、子、集、丛五部皆有。其收藏特色是明代文献，尤其是明代的地方志、科举录和政书三类文献最富盛名。其中地方志1962年、1990先后出版《天一阁藏明代方志选刊》和《天一阁藏明代方志选刊续编》。科举录已经出版了进士登科录、会试录，乡试录正在出版中。明代政书也正在出版中。与国内大型的公立图书馆、博物馆所藏古籍相比，天一阁所藏古籍的特点是善本比例较高。据《中国古籍善本书目》统计，天一阁所藏善本数量在包括国家图书馆、上海图书馆、南京图书馆、北京大学图书馆、故宫博物院在内的781个单位中排名第九。天一阁所藏中不乏珍贵典籍，如入选第一、二批《国家珍贵古籍名录》的珍贵古籍即达56种，其中著名的有明末毛氏汲古阁影宋抄本《集韵》十卷、万斯同稿本《明史稿》、明洪武刻本《洪武四年进士登科录》一卷、明抄本《天圣令》三十卷存十卷、清雍正四年（1726）内府铜活字印本《古今图书集成》等。

国家典籍博物馆的集中展陈空间，建筑面积达11549平方米，拥有9个展厅。据工作人员介绍，这里很多的馆藏典籍是国家一级文物，这些国宝的介质从三千多年前的殷墟甲骨，到100年前的桑皮纸，可谓包罗万象，其对展览、保存的环境格外挑剔，每一次取放都要异常小心。为了保护这些古籍，展厅内所有的展柜都是可内控温度和湿度的智能展柜，展柜内的温度被控制在20摄氏度上下，相对湿度则控制在50%左右，即使外部环境变化再大，一般也不会对珍藏其中的国宝造成影响。

为了满足观众阅读古籍的需求，国家典籍博物馆还利用高科技手段，提供了一些互动服务。比如展厅内的《柳公权神策军纪圣德碑》善本，其旁边既有一个放大的高仿版本，还放置了一个透明的可触摸屏。观众用手指在触摸屏上滑动，就可以逐页翻看这件典籍中的内容。

2014年09月10日，国家典籍博物馆正式开放，首展“国家图书馆馆藏精品大展”，全面展示国家图书馆所藏古籍特藏珍品。国家典籍博物馆内，观众从《永乐大典》前走过。