Fin dalla fondazione, al Museo è stata affiancata una biblioteca comprendente una sezione moderna di storia della scienza in continuo accrescimento e una sezione antica nella quale sono conservati i volumi della Collezione Mediceo-Lorenese, provenienti dal Reale Museo di Fisica e Storia Naturale di Palazzo Torrigiani. Oltre alla collezione libraria, il Museo ha ereditato un ricco archivio che documenta la storia della scienza in Toscana a partire dalla fine del XVIII secolo. La sala della biblioteca, situata nel 1966 al primo piano di Palazzo Castellani, fu risparmiata dalla piena, ma alcuni libri esposti assieme agli strumenti nelle vetrine del piano terreno furono gravemente danneggiati. L’archivio del Museo conserva oggi anche la documentazione relativa all’alluvione e alle difficili operazioni di recupero che seguirono.
Una sala al piano terreno era dedicata all'anatomista senese Paolo Mascagni (1755-1815), che aveva lavorato presso il Reale Museo di Fisica e Storia Naturale di Firenze. L'allestimento della sala era stato curato dallo studioso Federico Allodi (1900-1967), il quale aveva donato al Museo molti degli oggetti esposti: modelli anatomici, tavole calcografiche, un ritratto e alcuni volumi, fra cui l'Anatomia universale di Paolo Mascagni, stampata a Firenze nel 1833. Sebbene ripescato dal fango nei giorni successivi all'alluvione, il volume – illustrato con 150 incisioni, alcune delle quali colorate a mano – fu considerato irrecuperabile. Solo nel 2015 è stato possibile restaurarlo grazie ai finanziamenti della Regione Toscana e di privati. Durante la prima pulitura, dal volume è stato rimosso oltre un chilo di sedimento.