Selon la première source d'information, la bibliothèque a été initialement organisée par Démétrius de Phalère, un étudiant d'Aristote, sous le règne de Ptolémée Ier Sôter (vers 367 av. J.-C. - vers 283 av. J.-C.).
La bibliothèque comprenait un péripatos (promenade), des jardins, une salle à manger commune, une salle de lecture, des salles de conférence et des salles de réunion. Toutefois, la disposition exacte n'est pas connue. L'influence de ce modèle peut encore être constatée aujourd'hui dans la disposition des campus universitaires. La bibliothèque elle-même est connue pour avoir eu un service d'acquisitions (éventuellement construit près des cheminées, ou pour les services publics plus près du port), et un service de catalogage. La salle contenait des étagères pour les collections de parchemins (comme les livres l'étaient à cette époque sur des rouleaux de papyrus), connues sous le nom de bibliothekai (βιβλιοθῆκαι). La rumeur veut que, gravée dans le mur au-dessus des étagères, une célèbre inscription soit lue : Le lieu de la guérison de l'âme.
Elle a été la première bibliothèque connue à rassembler une collection sérieuse de livres provenant de l'étranger. La bibliothèque était chargée de rassembler toutes les connaissances du monde. Elle s'acquittait de cette tâche grâce à un mandat royal agressif et bien financé, impliquant des voyages aux foires du livre de Rhodes et d'Athènes et une politique consistant à retirer les livres de chaque navire qui entrait dans le port. Ils conservaient les textes originaux et en faisaient des copies pour les renvoyer à leurs propriétaires. Alexandrie, grâce à son port bidirectionnel construit par l'homme entre le continent et l'île de Phare, a accueilli le commerce de l'Est et de l'Ouest, et s'est rapidement trouvée être la plaque tournante internationale du commerce, ainsi que le premier producteur de papyrus et, assez vite, de livres.
La bibliothèque a également accueilli une foule d'universitaires internationaux. La bibliothèque s'est remplie de nouveaux ouvrages en mathématiques, astronomie, physique, histoire naturelle et autres sujets. C'est à la bibliothèque d'Alexandrie que la méthode scientifique a été conçue et mise en pratique pour la première fois, et que ses normes empiriques ont été appliquées dans une critique textuelle sérieuse. Comme le même texte existait souvent en plusieurs versions différentes, la critique textuelle comparative était cruciale pour garantir leur exactitude. Une fois vérifiées, des copies étaient ensuite réalisées pour les chercheurs, les membres de la famille royale et les riches bibliophiles du monde entier, ce commerce apportant des revenus à la bibliothèque. Les éditeurs de la Bibliothèque d'Alexandrie sont particulièrement connus pour leur travail sur les textes homériques. Les éditeurs les plus célèbres portaient généralement le titre de bibliothécaire en chef. Parmi ceux-ci, on peut citer, entre autres,
- Zénodote (début du IIIe siècle avant J.-C.)
- Callimachus, (début du IIIe siècle avant J.-C.), le premier bibliographe et développeur des Pinakes - le premier catalogue de bibliothèque.
- Apollonios de Rhodes (milieu du IIIe siècle avant J.-C.)
- Eratosthène (fin du IIIe siècle avant J.-C.)
- Aristophane de Byzance (début du IIe siècle avant J.-C.)
- Aristarque de Samothrace (fin du IIe siècle avant J.-C.).
- Euclide.
Déjà célèbre dans l'Antiquité, la collection de la bibliothèque s'est encore enrichie par la suite. Les rouleaux de papyrus constituaient la collection, et bien que les codices sur parchemin aient été utilisés principalement comme matériel d'écriture plus avancé après 300 avant J.-C.
Une seule pièce d'écriture peut occuper plusieurs parchemins. Le roi Ptolémée II Philadelphe (309-246 av. J.-C.) aurait fixé comme objectif à la bibliothèque 500 000 parchemins. Marc Antoine aurait donné à Cléopâtre plus de 200 000 parchemins (provenant de la grande bibliothèque de Pergame) pour la bibliothèque comme cadeau de mariage. Carl Sagan, dans sa série Cosmos, affirme que la bibliothèque contenait près d'un million de parchemins, bien que d'autres experts en aient estimé un nombre inférieur. Aucun index de la bibliothèque ne subsiste, et il n'est pas possible de savoir avec certitude quelle était l'étendue et la diversité de la collection.
Une histoire peut-être exagérée concerne la façon dont la collection de la bibliothèque s'est développée. Par décret de Ptolémée III d'Égypte, tous les visiteurs de la ville devaient remettre tous les livres et parchemins. Les scribes officiels ont alors rapidement copié ces écrits, certaines copies s'avérant si précises que les originaux ont été mis dans la bibliothèque, et les copies livrées aux propriétaires sans méfiance. Ce processus a également contribué à créer un réservoir de livres dans la ville relativement nouvelle.
Selon Galen, Ptolémée III a demandé aux Athéniens la permission d'emprunter les scénarios originaux d'Eschyle, de Sophocle et d'Euripide, pour lesquels les Athéniens ont exigé l'énorme quantité de quinze talents en garantie. Ptolémée a heureusement payé les frais mais a gardé les scripts originaux pour la bibliothèque.
La Bibliotheca Alexandrina a été inaugurée en 2002 près du site de l'ancienne bibliothèque.
