Dopo alcuni anni di difficoltà organizzative e funzionali nell'ultimo decennio del XIX secolo, la Biblioteca riprese, nel primo decennio del Novecento, un percorso di definizione della propria fisionomia grazie all'avvicendamento alla direzione della Biblioteca, nel 1904, di Fortunato Pintor, che rimase al suo posto fino al 1929, offrendo per 25 anni alla Biblioteca i frutti della sua ricchezza di spirito e di cultura.

Fu in quegli anni che la Biblioteca beneficiò del dono di due diversi fondi appartenuti a due senatori del regno: un Fondo di antico diritto siciliano, donato da Antonio Marinuzzi nel 1911, e un Fondo di storia del Risorgimento donato da Alessandro d'Ancona nel 1914.

Nei primi anni Venti, rientrata in un regime di normalità dopo il primo conflitto mondiale, la Biblioteca raggiunse in un breve giro di anni un patrimonio librario di oltre 130.000 volumi, con un volume di acquisti annuo che toccava le 1500 unità. Nel 1929 il passaggio di consegne da Fortunato Pintor, ufficialmente dimessosi per motivi di salute con unanime rammarico del mondo della cultura, a Corrado Chelazzi (1929-1941), inaugurava un periodo di profonda trasformazione della Biblioteca, che interessò i Bibliotecari, gli strumenti, le attività, gli ambienti.

Risalgono alla fine degli anni Venti le grandi opere urbanistiche che hanno dato ai palazzi del Senato una fisionomia stabile prevedendo, tra l'altro, la realizzazione del nuovo corpo di fabbrica su via di S. Eustachio, che avrebbe alloggiato la torre libraria in metallo dei magazzini, nuovi uffici, una nuova sala di consultazione. Dopo un decennio di lavori, non privi di difficoltà, alla fine degli anni Trenta i nuovi locali furono completati.

Non pochi furono i progetti realizzati in quel decennio sul piano del riordinamento del materiale librario e dei cataloghi; in quello stesso giro d'anni Chelazzi dava il via ad una delle maggiori operazioni editoriali della Biblioteca del Senato, attualmente in via di conclusione, la pubblicazione del Catalogo della Raccolta degli Statuti, decisa nel 1929 e che vide la luce nel 1943, con la pubblicazione del primo volume.

Gli anni Trenta segnarono l'inizio di un nuovo lavoro di catalogazione, secondo regole moderne, ispirate alla tradizione americana e codificate dalla Biblioteca Apostolica Vaticana nel 1931 nelle Norme per il catalogo degli stampati. Le regole vaticane, modificate in funzione delle peculiari necessità della Biblioteca del Senato, trovarono applicazione nel nuovo catalogo per autori a schede. La Biblioteca del Senato partecipava in questo modo al movimento di cooperazione e rinnovamento che vide, a partire dai primi anni Trenta, la collaborazione della Biblioteca Apostolica Vaticana e della Library of Congress. Il grande catalogo a schede della Biblioteca Vaticana si sviluppò negli stessi anni del Catalogo della Biblioteca del Senato. Sono anche gli anni in cui la Library of Congress diveniva il modello dell'edilizia bibliotecaria e la Biblioteca del Senato riorganizzò i propri spazi negli otto piani della grande torre libraria metallica esemplata su quella della biblioteca americana.

Quando la guerra investì nuovamente le istituzioni, la Biblioteca seguì le vicissitudini dell'amministrazione del Senato, condividendone le difficoltà ma proseguendo, pur con un personale estremamente ridotto, le sue attività di ricerca. Al termine del conflitto prestò la sua assistenza bibliografica alla Commissione di studio per la Costituente, che scelse la Biblioteca come sua sede provvisoria.