Будівля розташована на ділянці площею 3 га. Зведена за проектом архітекторів «Київпроекту» В. Гопкала, В. Гречини і В. Песковського. Вертикальна частина споруди (книгосховище) налічує 27 поверхів, у горизонтальній частині розміщені читальні зали та службові приміщення Бібліотеки. Висота споруди – 76,7м (78, 6 м зі шпилем).

Інтер’єр приміщення оздоблено творами образотворчого мистецтва значної художньої цінності.

У центральному вестибулі розташоване монументально-декоративне панно «Біль землі» (автори В. І. Пасивенко та В. М. Прядка, площа 300 м²), виконане у техніці енкаустики. Основною темою  композиції є розкриття головного призначення науки – захисту життя на Землі.

Фойє перед читальними залами прикрашає гобелен-триптих «Витоки слов’янської писемності» (автори М. Т. Литовченко та І. С. Литовченко, розмір 7×3,5 м), виконаний у техніці ручного ткацтва. Матеріали – вовна, люрекс. Композиційне рішення гобелена обумовлене наявністю колон, які не дозволяють сприйняти всю площу полотна одночасно. У центральній частині на фоні яскравого вогню зображені язичницькі символи, які уособлюють образи створення світу та зародження писемності. На зміну символічним образам приходять конкретні: київський літописець та письменник Нестор, творці слов’янської азбуки Кирило і Мефодій, лексикограф, письменник і гравер Памво Беринда – автор першого друкованого українського словника, український і російський першодрукар Іван Федоров, політичний і освітній діяч України митрополит київський Петро Могила. Ліва та права частини триптиху присвячені еволюції засобів писемності в умовах інформатизації суспільства. Автори обох названих вище робіт 1998 р. стали лауреатами Національної премії України імені Тараса Шевченка.

Окрасою бібліотечного інтер’єру є скульптурні композиції авторського колективу під керівництвом Б. С. Довганя. У центральному вестибулі встановлений бюст організатора і першого президента Української академії наук, фундатора бібліотеки В. І. Вернадського.

Уздовж пандусу (пологих сходів), що з’єднує перший і другий поверхи Бібліотеки, встановлені 11 мармурових бюстів видатних діячів, які зробили значний внесок у розвиток світової науки і культури: Ярослав Мудрий, Іван Федоров,  Михайло Ломоносов,  Григорій Сковорода,  Микола Лобачевський,  Олександр Пушкін,  Тарас Шевченко,  Дмитро Менделєєв,  Ілля Мечников,  Костянтин Ціолковський та Олександр Попов.