En 1830, la bibliothèque quitte l'ancien palais épiscopal, rendu à sa destination première, et s'installe à l'hôtel de ville, alors situé sur les quais, proche le pont Gabriel.
L'annuaire du département mentionne à cette date l'achat de plus de 600 volumes dont l'Histoire des mammifères de Cuvier, les Oeuvres complètes de Chateaubriand, les Lettres sur l'Histoire de France d'Augustin Thierry et l'Histoire des Gaulois de son frère Amédée Thierry. C'est à la même époque que l'État envoie à Blois la monumentale Description de l'Egypte achevée en 1828.
Sous la direction de Louis de la Saussaye, conservateur de 1831 à 1858 et de Louis Gaudeau, bibliothécaire en titre jusqu'en 1851, la bibliothèque s'enrichit de nombreuses revues dont les abonnements ont parfois été continués jusqu'à nos jours tels que la Revue des deux mondes, le Journal des savants ou le Bulletin du Bibliophile. En 1838, La Saussaye fait acheter à la vente Joursanvault, plus de 2000 pièces d'archives provenant de la chambre des comptes du comté de Blois et s'échelonnant du XIIe au XVIIe siècle. A la suite de Louis Gaudeau, Alexandre Dupré poursuit l'enrichissement des collections en l'orientant vers l'érudition historique et scientifique. Jusqu'à sa révocation en 1877 pour cause de mésentente avec la municipalité, Dupré mènera de front une carrière d'historien, publiant plus d'une centaine d'études historiques sur Blois et le Loir-et-Cher, et de bibliothécaire. En 1867, il complète la collection Joursanvault par l'achat de 272 pièces d'archives supplémentaires parmi lesquelles se trouve la plus ancienne pièce de la bibliothèque datée de 987. Il fait entrer les grandes collections telles que les Documents inédits de l'histoire de France. Il accueille en 1850 le legs Monin (botanique), en 1867 le don fait par Armand Baschet d'une partie de sa bibliothèque historique et surtout en 1873 le généreux legs de l'abbé Pothée, constitué de plus de 2000 volumes, pour la plupart antérieurs à la Révolution.
Après la révocation de Dupré en 1877, la bibliothèque connaît une période troublée, marquée par une succession de bibliothécaires médiocres jusqu'à l'arrivée de Pierre Dufay en 1892.