La collezione di disegni conta più di 9.000 esemplari, tra fogli sciolti e album, e si caratterizza per varietà di epoche (dal XVI al XXI secolo), tecniche esecutive e soggetti trattati. Ha avuto origine dalla pratica invalsa a partire dal XIX secolo di individuare ed estrapolare il materiale iconografico presente nei fondi librari e archivistici già pervenuti alla biblioteca, cui si sono aggiunte donazioni e una oculata politica di acquisizioni.
Si possono individuare cinque nuclei cui ricondurre i disegni: le Cartelle Gozzadini, la Cartella Mitelli, la Cartella Antolini, la raccolta Disegni di autori vari e i Disegni Palagi.