مجموعه خطی کتابخانه و موزه ملی ملک امروزه یکی از شش مجموعه بزرگ خطی در کشور است. وجود ۱۹ هزار رساله خطی، کتابخانه و موزه ملی ملک را به یکی از بزرگ‌ترین گنجینههای نسخه‌های خطی ایران بدل کرده است. در این مجموعه آثار برخی خوش‌نویسان نامدار از جمله قبله‌الکتاب، یاقوت مستعصمی، میرزا احمد نیریزی، علاءالدین تبریزی، درویش عبدالمجید طالقانی زبردست‌ترین شکسته‌نویس تاریخ خوش‌نویسی و از واپسین خوش‌نویسان دوران کتابت نسخه‌های خطی میرزا علی‌نقی شیرازی و ام سلمه قاجار وجود دارد.
مجموعه کتب حدود ۱۶۰۰ عنوان در ۳۵۴۰ جلد، مجموعه کتاب‌های چاپ سنگی کتابخانه و موزه ملی ملک را دربرمی‌گیرد که برخی از آن‌ها مصورند. برای نمونه کتاب طوفان‌البکاء افزون بر شرح واقعه کربلا، مجلسهایی گوناگون دارد که وقایع را به شکل ملموس به تصویر کشیده است.
در مجموعه کتاب‌های فارسی و عربی حدود ۴۵۳۰۰ عنوان در ۹۰۲۰۰ مجلد وجود دارد. در میان کتاب‌های فارسی و عربی افزون بر منابعی که ممکن است در هر کتابخانهای پیدا شود، آثاری نفیس و نادر نیز وجود دارد که از آن جمله میتوان به این موارد اشاره کرد؛ قرآن کریم چاپ هامبورگ در سال ۱۶۹۴ میلادی، القانون فی الطب تالیف ابوعلیسینا چاپ رم در سال ۱۵۹۳ میلادی، تحریر اصول لاوقلیدس تالیف نصیرالدین طوسی چاپ قسطنطنیه در سال ۹۹۶ میلادی، تاریخ فنایی (به ترکی) چاپ ۱۱۹۹ قمری، العجب العجاب تالیف احمد بن محمد شروانی چاپ کلکته سال ۱۲۲۸ قمری.
مجموعه کتاب‌های انگلیسی حدود ۳۹۰۰ عنوان در ۵۴۶۰ جلد را دربرمی‌گیرد. قدیم‌ترین آن‌ها کتاب انجیل منتشر شده در سال ۱۶۱۱ میلادی است. پس از آن سفرنامه توماس هربرت به آسیا (۱۶۰۶-۱۶۸۲ میلادی) است که به کشورهای گوناگون این قاره از جمله ایران سفر کرده است. این اثر در سال ۱۶۳۸ میلادی منتشر شده است.
مجموعه کتاب‌های کتابخانه و موزه ملی ملک به زبان فرانسه، ۲۸۵۲ عنوان در ۳۸۰۰ جلد را دربرگرفته است. قدیم‌ترین آن‌ها در سال ۱۶۸۷ میلادی منتشر شده است.
مجموعه کتاب‌های به زبان روسی، ۲۷۶ عنوان در حدود ۳۵۰ جلد است که آقای رضا فاضل همدانی در سال ۱۳۸۳ خورشیدی بیشتر آن‌ها را به کتابخانه اهدا کرده است. کتاب‌های اهدایی وی بیشتر حوزه موضوعی ریاضیات را دربرمی‌گیرد. این مجموعه همچنین اشعار برخی بزرگان پارسی از جمله حافظ، خیام و سعدی و نیز تاریخ ایران را در خود جای داده است.
کتابخانه و موزه ملی ملک، منابعی به ۳۰ زبان گوناگون را دربرگرفته است. افزون بر زبان‌های یادشده، کتاب‌هایی به زبان‌های آلمانی، اسپانیایی، ایتالیایی، لاتین، دانمارکی، لهستانی، ترکی (آذربایجانی، استانبولی)، سوئدی، رومانیایی، اردو و گرجی در این مجموعه دیده می‌شود. حوزه موضوعی این منابع، بیشتر ایران‌شناسی و اسلامشناسی است.
نشریات ادواری از مهم‌ترین منابع کتابخانه به شمار می‌آیند. این بخش ۸۰۰ عنوان در بیش از ۷۰۰۰ مجلد روزنامه، هفتهنامه، ماهنامه، گاهنامه، فصلنامه و سالنامه در موضوعات مرتبط با خط مشی مجموعهسازی کتابخانه را پیش روی پژوهشگران و مخاطبان می‌گذارد. از جمله قدیم‌ترین مطبوعات موجود در کتابخانه میتوان به روزنامه‌های وقایع اتفاقیه، علمیه دولت علیه ایران، روزنامه نظامی علمیه و ادبیه، حبل المتین، اختر، ادب، حکمت، صور اسرافیل، روح القدس، مساوات، شمس، رهنما، بی‌طرف و تمدن، مجلات الهلال، المقتطف، نامه پارسی، ارمغان، العرفان، المنار، مجموعه اخلاق، فلامبو، گنجینه فنون، مجله تذکر و سالنامه‌های ایران و دولت علیه ایران اشاره کرد.
کتابخانه و موزه ملی ملک همچنین بخشی را برای اسناد تاریخی اختصاص داده است. این گنجینه حدود ۶۵ هزار برگ سند را در خود دارد که فرمان‌ها و احکام، مکتوبات اداری- دیوانی، مکاتبات شخصی و خصوصی و اسناد حقوقی و مالی مانند عقدنامه‌ها، وقف‌نامه‌ها، برات‌ها، مصالحه‌نامه‌ها و اجاره‌نامه‌ها را دربرمی‌گیرد. از جمله اسناد میتوان به رونوشت فرمان محمدعلی شاه قاجار پیرامون خدمات خود به مشروطه و بسته شدن مجلس به پارهای دلایل و دستور به تنظیم نظامنامه انتخابات جهت بازگشایی مجدد مجلس به سال ۱۳۲۷ قمری اشاره کرد.
بخش تازه‌ای که در از سال ۱۳۹۰ خورشیدی در کتابخانه و موزه ملی ملک شکل گرفته، مجموعه مواد دیداری شنیداری است. این مجموعه اکنون بیش از ۶۹۳ عنوان در ۹۷۴ نسخه لوح فشرده، کاتالوگ، پوستر، کارت پستال و ... را ذخیره کرده است.
