Своё начало библиотека берёт с 1903 года, с момента открытия музея. За более чем столетнюю историю параллельно со становлением музея шло и формирование фонда научной библиотеки. Понимание передовыми, мыслящими людьми необходимости иметь библиотеку по кавказоведению способствовало тому, что комплектование её прошло путь от благотворительных пожертвований до целенаправленного отбора и закупки, а также часть книг были переданы из музея Кавказского Горного общества, что подтверждают штампы в книгах.

В настоящее время библиотека хранит более 18 тысяч экземпляров. Это издания разнообразные по тематике, содержанию, текстовому и изобразительному оформлению, объёму, формату и периодичности, изданные знаменитыми отечественными издателями и издательствами. Тематический фонд библиотеки представлен следующим образом. Прежде всего следует отметить фонд редкой книги, куда отнесены как рукописные памятники (Устав христианского жития), так и старопечатные книги (Псалтырь, Святое Евангелие, Новый Завет от Матфея, Служебник, Летопись земли русской, Указы Великой Государыни Императрицы Екатерины Алексеевны и Государя Императора Петра Второго, Рескрипты и письма Императора Николая I и др.). Богата библиотека и раритетными изданиями - различные словари середины ХIХ в. (энциклопедические лексиконы государей, географическо–статистические словари, народные энциклопедии научных и прикладных знаний, энциклопедический словарь издателей Ф.А. Брокгауза – И.А. Ефрона, словари Вл. Даля и С.И. Ожегова, репринтное издание Русского Биографического словаря, Большая Советская энциклопедия, Географическая энциклопедия и др.). В ряду периодических изданий особое место в научной библиотеке занимают справочные региональные источники. Богатейший материал, освещающий все стороны жизни Кавказа, сосредоточен в Кавказском (1852-1917) и Терском (1891-1915) календарях. Интересные исторические сведения отражены в работе С. Броневского «Новейшие географические и исторические известия о Кавказе» (1823 г.), в «Сборнике материалов для описания местностей и племён Кавказа» (46 томов), в «Списке населенных мест Терской области» (1925 г.) и т.д.

Значительную часть составляет коллекция книг о первооткрывателях курортов Кавминвод, о становлении и развитии курортов, о выдающихся деятелях и врачах-организаторах курортного дела. История казачества и Терского казачьего войска широко представлена как в раритетных изданиях ХIХ – начала ХХ вв.: «Кубанский сборник» (1891 г.), К.К. Абаза «Казаки. Донцы, Уральцы, Кубанцы, Терцы» (1899 г.), В.А. Потто «Два века Терского казачества» (1912 г.), «Записки Терского Общества Любителей Казачьей Старины» (1914 г.), так и в современных изданиях периода возрождения казачества: «Терское Казачество: история и современность» (2009 г.). Библиотека хранит редкие издания по истории образования на Кавказе и в Пятигорске; как, например, издания Кавказского Учебного Округа (55 томов). Основу этой части коллекции составляют книги из Пятигорской мужской гимназии.
 
Редкие и достаточно полно отражающие флору, фауну, климат, полезные ископаемые издания представляют как справочную литературу, так и монографическую таких известных авторов, как А.А. Гроссгейм, Л.Б. Бёме, Н.К. Верещагин, Н.И. Кузнецов и др. Библиотека музея хранит немало изданий Русского Бальнеологического общества: «Записки Русского Бальнеологического общества в Пятигорске» (1865-1913), Протоколы Заседания Русского Бальнеологического общества в Пятигорске» (1873-1898), «Труды Бальнеологического института на Кавказских Минеральных водах». Важным источником популяризации курортов КМВ и в целом Кавказа являются путеводители, как, например, «Иллюстрированный Практический Путеводитель по Кавказу» известного издателя Г. Москвича. Интересные сведения содержат издания 20-30-х годов ХХ в., как, например, Список населенных мест Терской области, 1925 г., С. Анисимов. Кавказский край, 1928 г. и др. Ценность фонда библиотеки представляют именные личные собрания книг В.Р. Апухтина, В.Ф. Смолина, Д.М. Павлова, Л.Н. Польского и местных ученых, литераторов, краеведов, большинство из них с дарственными надписями авторов. Научная библиотека музея снабжена алфавитным и систематическим каталогом, составляется электронный каталог.

Уникальный экземпляр в старинном цельнокожаном переплете на дереве с золотым тиснением по корешку, с тройным золотым обрезом. На титульном листе, гравированном на меди, помещены изображения библейских сюжетов из Нового и Ветхого Завета, виды Кремля и Петропавловской крепости, двуглавый орел с царской короной. Тексту предшествует гравюра с изображением Елизаветы Петровны; вверху надпись: «Да недоконченная исправиши», напоминающая о приведении ею в исполнение завета Петра Великого. Текст Библии напечатан в два столбца тонким четким некрупным шрифтом; страницы окружены узорными рамками; в начале и конце отдельных глав - заставки, инициалы и концовки. До настоящего времени Елисаветинская Библия продолжает использоваться Русской Православной Церковью как наиболее авторитетный перевод Священного Писания на славянский язык, имеет большое культурное и историческое значение как выдающийся образец отечественного гравировального и типографского искусства.