Durant les années 1990, la Bibliothèque de la Cinémathèque suisse était située au deuxième étage du Casino de Montbenon, rassemblant à l'époque plus de 19'000 publications internationales sur le cinéma. En même temps, dans la galerie du premier étage se trouvaient entreposés les 80'000 dossiers documentaires, classés par réalisateurs, contenant de coupures de presse, d'articles, de reportages, de critiques, de biographies, de programmes illustrés et de matériel publicitaire d'époque ("press books"). La Bibliothèque diposait déjà à l'époque une salle de consultation ouverte au public.
Á partir de 2012, elle s'installe sur le site du Centre de recherche et d'archivage de Penthaz. Lors de la rénovation de ce dernier et son inauguration en 2019, elle a pu bénéficier d'un écrin de grande qualité avec des locaux bénéficiant d'une température et une humidité contrôlées pour une conservation à long de ses documents patrimoniaux.
Elle est composée aujourd'hui d'environ 30'000 monographies, 10'000 scénarios, 730'000 fascicules de périodiques et 240'000 dossiers documentaires. Le rôle de la Bibliothèque est de documenter l’histoire du cinéma suisse et international en collectant notamment des documents sur l'évolution des techniques depuis 1895, ainsi que sur des analyses filmiques, des biographies et des catalogages de festivals du monde entier. Le catalogue de la Bibliothèque est désormais disponible sur le réseau vaudois des bibliothèques Renouvaud.