Uno de los grandes tesoros que alberga San Carlino es su biblioteca histórica. Fue diseñada y erigida como parte integrante del convento de los religiosos por el mismo Francesco Borromini entre los años 1635 y 1641. El autor la concibió como un ámbito amplio, bien iluminado, silencioso y confortable, y la proyectó como un espacio cuadrangular de 18,30 x 5 metros.

En la década de 1670, Bernardo, sobrino de Francesco Borromini y continuador de los trabajos en San Carlino tras la muerte de su tío, redujo a la mitad la altura de las ventanas de la biblioteca y convirtió en puerta la ventana central que da acceso a la cúpula y el campanario.

En 1897 hubo que ampliar las estanterías hasta cubrir las paredes laterales, a fin de dar cabida a un gran fondo bibliográfico donado por el canónigo español José de Benavides.

A mitad del siglo XIX se realizó un bajorrelieve en yeso por el escultor Aniceto Marinas, encargado por el arqueólogo Giovanni Battista Rossi, que ilustra la visita de Papa Pío IX a las catacumbas de San Calixto, por él descubiertas. Seguramente se trate de una donación del propio José de Benavides.

A partir de 1986 se realizaron una serie de mejoras en la biblioteca por parte del Ufficio Italiano dei Cambi (Oficina Italiana para los Cambios de Moneda), dependiente de la Banca d’Italia (Banco Nacional Italiano), en colaboración con el Ministerio Italiano para los Bienes Culturales y Ambientales.

Entre estas intervenciones destacan la mejora de la impermeabilización del tejado, la restauración del techo y suelo originales, la desinfección de mobiliario y libros, la medidas antiincendios y de seguridad, y la renovación de la instalación eléctrica.

A finales de los años 90, Juan María Montijano, profesor titular de Historia del Arte de la Universidad de Málaga y gran conocedor de la arquitectura renacentista y barroca italianas, al descubrir las maravillas de San Carlino y, en particular, el enorme potencial de su biblioteca, se entregó con auténtica pasión y generosidad a su puesta en valor. Inicialmente, se dedicó él solo y de modo altruista a la conservación de la biblioteca, iniciando el proceso de catalogación de su contenido bibliográfico.

En el año 2012, Montijano auspició la firma de un convenio entre la comunidad trinitaria de San Carlino y la Universidad de Málaga, en colaboración con otras entidades culturales, para la catalogación del fondo bibliográfico por parte de estudiantes becados de las Facultades de Historia del Arte, Historia, Bellas Artes y Arquitectura de dicho centro universitario.

Estos discentes, acogidos por la comunidad religiosa, llevaron a cabo esta labor en época estival, con auténtico primor y cariño, y bajo la dirección profesional y solícita del mencionado profesor. La catalogación se concluyó en el año 2015.

Durante este tiempo inventariaron más de 13.000 volúmenes escritos en 16 idiomas diferentes, predominando las lenguas latina, italiana y española. Las obras en cuestión están datadas de la siguiente manera:
- ocho incunables,
- 786 libros del silgo XVI,
- 2.962 del siglo XVII,
- 3.722 del siglo XVIII,
- 4.921 del siglo XIX,
- 250 libros destacados del siglo XX;
- varios manuscritos.

La mayor parte de los libros son de índole filosófica y teológica, o sobre diferentes disciplinas humanísticas (arte, geografía, historia...). Entre las riquezas bibliográficas destacan, además de los ocho libros incunables, una Biblia políglota de principio del siglo XVI y una copia de la primera edición ilustrada del Quijote, así como varios libros cuyo único ejemplar conservado es el de esta biblioteca.

En la catalogación se usó un programa informático que permite la consulta a investigadores de todo el mundo. Asimismo, fueron escaneadas varias obras de especial valor, entre las que destaca el Libro de fábrica de San Carlino.