La Biblioteca del Convento dell'Osservanza, la cui collezione originaria fu costituita nella prima metà del Quattrocento, è una delle più ricche raccolte librarie della città. È composta da un patrimonio di circa venticinquemila volumi, tra cui si annoverano centinaia di pregiate cinquecentine. Vanta un prezioso nucleo di incunaboli formato da testi di filosofia, teologia, diritto canonico e patristica, oltre a numerosi classici latini e greci. Dal punto di vista storico-scientifico, si segnalano una delle prime edizioni dell'Encyclopédie di Diderot e d'Alembert ed un cospicuo numero di trattati di botanica, zoologia, fisica, chimica, geografia e cosmografia databili tra il XVII e il XX secolo. Il catalogo del patrimonio librario dell'Osservanza è oggi inserito nel sistema telematico del Servizio Bibliotecario Senese.

In alcuni spazi annessi al convento è allestito il Museo dell'Osservanza, istituito nel 1920 e dedicato a Padre Aurelio Castelli. Fra gli oggetti di valore ivi conservati (pitture, sculture, sigilli, codici miniati), è esposto il prezioso trattato De animalibus di Alberto Magno (secolo XIII), la cui prima pagina fu miniata nella seconda metà del Quattrocento dal giovane Francesco di Giorgio Martini.