Библиотека открыла свои двери одновременно с Петровской земледельческой и лесной академией 3 декабря 1865 года. Сохранились восторженные отзывы Императора Александра II, опубликованные в «Земледельческой газете» после его визита в Петровско-Разумовское 16 августа 1865 года. Государь особо отметил здание архитектора Бенуа и саму библиотеку, расположенную в просторном зале с мозаичными полами и инновационным «духовым» отоплением, подчеркнув «богатый выбор специальных сочинений
Ядром фонда стали более 2200 томов, подаренных ведущими организациями эпохи: Библиотекой Академии наук, Императорской публичной библиотекой (ныне РНБ), Вольным экономическим обществом и Санкт-Петербургским лесным институтом. Самое крупное пожертвование сделал первый директор академии — профессор Николай Иванович Железнов. Его жест положил начало великой традиции: ученые Тимирязевки десятилетиями передавали свои личные собрания в фонд библиотеки. Среди них — уникальные коллекции профессоров И.Д. Ауэрбаха (800 томов), И.Д. Придорогина (830 томов по зоотехнии), В.Ф. Болдарева (энтомология), А.П. Богданова и Н.Ю. Зографа (6000 томов по биологии), академика Н.М. Кулагина (11 тысяч томов) и профессора А.Н. Лебедянцева (4 тысячи томов).
Особую роль в жизни библиотеки сыграл великий генетик Николай Иванович Вавилов. Даже находясь в сложнейших экспедициях, он находил возможность пополнять научные фонды. В 1922 году он писал селекционеру С.И. Жегалову: «Вчера… отправил первый транспорт книг в Петровскую академию. Всего, кажется, около 1000 названий». Такое трепетное отношение выпускников позволило сформировать фонд мирового уровня.
Сегодня малая часть собрания — редкий фонд — насчитывает более 40 тысяч изданий. Подлинной жемчужиной коллекции являются инкунабулы — книги самого раннего периода книгопечатания. Одной из наиболее значимых работ является труд Иеронима Бруншвига «Liber de arte distillandi» (Страсбург, 1500 г.). Это первая книга о дистилляции на немецком языке, ставшая вехой в развитии фармакологии. Издание содержит десятки рецептов извлечения активных веществ из растений и украшено богатейшими ксилографиями — гравюрами на дереве.
Современная история библиотеки имени Н.И. Железнова пишется на языке новых технологий. Сегодня библиотека оснащена профессиональным оборудованием на основе RFID-меток и предоставляет доступ к миллионам томов в электронных базах партнеров, виртуальному залу РГБ и собственной цифровой библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Здесь историческая преемственность встречается с будущим: рядом с книгами XVI века в электронном каталоге представлен новейший библиографический указатель «Применение беспилотных авиационных систем в сельском хозяйстве», задающий стандарты агронауки завтрашнего дня.