Triều đình Nguyễn lựa chọn vị trí trên hòn đảo giữa hồ Học Hải với ý đồ cách ly với đất liền, chỉ thông thương bằng một cây cầu. Chính những kỹ thuật sơ khai lúc bấy giờ đã giúp cho Tàng Thư lâu lưu trữ rất nhiều tài liệu quý giá lúc bấy giờ trong một khoảng thời gian rất dài. Nhưng cùng với sự chấm dứt của chế độ quân chủ, Tàng Thư lâu cũng ngưng hoạt động. Khối lượng tài liệu khổng lồ lưu trữ tại đây cũng bị tiêu tán trong chiến tranh. Hiện nay, công trình này đang được lập hồ sơ xin công nhận di tích lịch sử cấp quốc gia. Nằm ẩn mình trong hồ Học Hải, dọc đường Đinh Tiên Hoàng, nối với sông Ngự Hà và hồ Tịnh Tâm, Tàng Thư lâu như đang đắm mình cùng thời gian để hoài niệm về quá khứ lịch sử. Theo Đại Nam thực lục và Đại Nam nhất thống chí, Tàng Thư lâu được xây dựng vào mùa hè năm Minh Mạng thứ 6 (1825). Dưới sự ủy thác của triều đình, Thử Thống Chế Đoàn Đức Luân điều khiển hơn 1000 binh lính để thi công, tòa nhà được xây dựng bằng gạch và đá gồm 2 tầng, tầng dưới 11 gian, tầng trên 7 gian 2 chái; nằm trên hòn đảo hình chữ nhật (kích thước khoảng 45 m × 65 m) nằm giữa hồ Học Hải. Nguyên hồ Học Hải là một phần của sông Ngự Hà được cải tạo thông với hồ Tịnh Tâm tạo ra một hệ thống sông hồ liên kết với nhau.

Được đặt ngay ở giữa hồ, nó chỉ được thông thương với bên ngoài bằng một cây cầu đá, Lầu được thiết kế và xây dựng theo kiến trúc hiện đại và khoa học, xung quanh là hồ sâu nên nó có thể tránh hỏa hoạn, chống được sự xâm nhập của các loài gặm nhấm. Tầng dưới được rải nhiều lưu huỳnh để khử kiến, gián, mối, mọt... Tầng trên, nơi có chức năng chứa tư liệu được trổ nhiều cửa, xung quanh xây lan can thưa, thoáng để thông khí, tránh sự ẩm mốc do độ ẩm trong không khí ở Huế thường rất cao. Nó được bảo quản thường xuyên và được bảo vệ dưới những biện pháp tốt nhất lúc bấy giờ và những công việc chăm sóc diễn ra đều đặn.