Nel 1681 l'abate Federici venne accolto nella Congregazione dei padri Filippini dell'Oratorio di San Pietro in Valle. Con lui giunse anche la sua "libraria", una preziosa raccolta di volumi che sistemò a sue spese sopra il nuovo Oratorio. Per circa un quarantennio, cioè fino all'anno della sua morte nel 1720, l'abate Domenico Federici si occupò personalmente della sua raccolta; in seguito, con una disposizione testamentaria, lasciò la biblioteca ai padri dell'Oratorio, che si assumevano da parte loro il compito di tenerla aperta al pubblico un'ora al giorno e di incrementarne il patrimonio librario con il ricavato di una rendita poderale di proprietà del donatore. Nel 1861, con l'annessione delle Marche al Regno d'Italia, avviene la seconda soppressione delle corporazioni religiose: la biblioteca venne reclamata dal Municipio che ne ottenne la proprietà legale e la affidò alle cure di un "custode" affiancato da due bibliotecari: rispettivamente Luigi Masetti, l'orientalista Michelangelo Lanci e il filologo Filippo Luigi Polidori. Nel corso degli anni la biblioteca andò arricchendosi di numerosi volumi: le raccolte superstiti delle altre congregazioni, le donazioni private, i lasciti dei fondi manoscritti, ecc.
Sotto la competente direzione del professor Adolfo Mabellini, livornese di nascita ma fanese d'adozione, la biblioteca entra nel '900 (il Mabellini assume l'incarico nel 1895) e supera due notevoli interventi di consolidamento e restauro (anni '20 e anni '30), mentre al suo successore, professor Cesare Moreschini, toccò il compito di salvaguardare il patrimonio della Federiciana durante gli anni del secondo conflitto mondiale. Nel 1950 le sale della biblioteca ospitarono un'importante esposizione dedicata al cartografo Vincenzo Coronelli. Otto anni dopo cominciarono i lavori di ristrutturazione voluti dall'amministrazione comunale per dotare la città di un'istituzione più efficiente in senso moderno. Questo ha comportato, fino al 1970, il trasferimento dei magazzini presso alcuni locali di proprietà comunale, mentre una sala lettura provvisoria venne ricavata all'interno dell'odierna sala consigliare.
La biblioteca Federiciana è collocata nei locali che un tempo costituivano la Casa dei preti dell'Oratorio di S.Filippo Neri, immediatamente dietro la chiesa di San Pietro in Valle, splendido esempio di architettura religiosa barocca. Quando, nel 1678, l'abate Federici manifestò l'intenzione di ritirarsi a Fano presso i Filippini, sorse la necessità di sistemare anche i preziosi volumi che avrebbe portato con sé. Iniziarono così i lavori per quella famosa Sala dei Globi che è ancora possibile ammirare oggi nelle scansie lignee intagliate dal bolognese Maestro Francesco (è andata perduta, invece, in seguito al terremoto del '30, l'antica volta dipinta da Pietro Rocco). A degno completamento degli arredi restano i due preziosi globi che hanno dato il nome alla sala: due mappamondi (uno celeste e uno terrestre) realizzati in coppia nel 1688 dal cosmografo veneziano Vincenzo Coronelli. Vanta oltre 250.000 volumi, un'emeroteca con 115 periodici in abbonamento e migliaia in deposito e una sezione "cinema", accanti a fondi speciali e manoscritti. Dal 2012 è attivo il servizio di biblioteca digitale Medialibrary online.