Các học giả thường chia lịch sử của thư viện này thành 5 thời kỳ.[3]
Thời kỳ Tiền-Lateran. Thư viện có từ thời giáo hội sơ khai, trước khi dời vào cung điện Lateran; chỉ có một mớ ít đầu sách còn giữ lại được, trong đó có một số rất quan trọng.
Thời kỳ Lateran. Tồn tại tới cuối thế kỷ thứ 13 và triều đại Bônifaciô VIII.
Thời kỳ Avignon. Thời kỳ này có lượng lớn sách được sưu tập và lưu giữ bởi các giáo hoàng cư ngụ ở Avignon miền nam nước Pháp giữa thời gian Giáo hoàng Bônifaciô qua đời và thập niên 1370, khi ngôi Giáo hoàng lại dời về Roma.
Thời kỳ Tiền-Vatican. Từ khoảng năm 1370 tới 1446, thư viện bị chia cắt thành nhiều phần: phần ở Roma, phần ở Avignon và ở nơi khác.
Thời kỳ Vatican. Bắt đầu từ khoảng năm 1448, thư viện dời về Vatican cho tới nay.
