Perpustakaan biara ini menyimpan koleksi naskah awal dan manuskrip kedua terbesar di dunia selepas Perpustakaan Vatikan, di mana perpustakaan tersebut mempunyai teks-teks berbahasa Yunani, Arab, Armenia, Koptik, Ibrani, Georgia, dan Aram. Pada bulan Mei 1844, Konstantin von Tischendorf mengunjungi biara untuk tujuan pengkajian, lalu menemui Kodeks Sinai (Codex Sinaiticus) yang berasal dari abad ke-4, pada ketika itu merupakan manuskrip Alkitab hampir sepenuhnya diawetkan yang tertua. Ini meninggalkan biara pada abad ke-19 bagi Rusia, dalam keadaan yang sekarang diperdebatkan. Teks ini dijual dari Rusia semasa pemerintahan Josef Stalin pada tahun 1933 kepada Perpustakaan Negara Britain, di mana teks tersebut dipaparkan kepada orang rama ke situ sehingga kini. Pada 1 September 2009, sebuah fragmen yang sebelumnya tidak pernah dilihat dari Kodeks ini ditemukan di perpustakaan biara.[8][9]

Pada bulan Februari 1892, Agnes Smith Lewis mengenal pastipalimpsest di perpustakaan Santo Catherine yang dikenal sebagai Sinaiticus Syria dan masih dalam kepemilikan biara itu. Agnes dan adiknya Margaret Dunlop Gibson kembali dengan pasukan yang termasuk J. Rendel Harris, untuk menangkap gambar bukti serta menuliskan karya secara keseluruhan.[10] Memandangkan manuskrip tersebut lebih lama mendahului Kodeks ini, pengkajiannya penting dalam memahami sejarah kitab Perjanjian Baru.

Biara ini juga memiliki salinan Ashtiname iaitu sebuah teks perjanjian di mana nabi Muhammad dikatakan telah memberikan perlindungan baginda ke atas biara tersebut.[11] Manuskrip yang paling penting telah difilemkan atau ditukarkan ke bentuk digital sehingga dapat diakseskan oleh para sarjana. Hal ini tentunya tidak terjadi untuk penemuan tahun 1975, yang sebelumnya dapat dilihat dan dinilai secara eksklusif oleh Kurt Aland dan Barbara Aland dari Institut Penelitian Tekstual Perjanjian Baru di Münster, Jerman pada tahun 1982. Sebuah pasukan ilmuwan pengimejan dan sarjana dari Amerika Syarikat dan Eropah pada saat ini sedang menjalankan teknik pengimejan spektral yang dikembangkan untuk pengimejan Palimpsest Archimedes untuk tujuan penyelidikan lebih dari seratus palimpsest di perpustakaan biara.[12]