Der Wiederaufbau nach den Zerstörungen im Zweiten Weltkrieg begann 1945/46 mit dem Nordteil des Westflügels und zog sich, in sechs Bauabschnitten, über ein Vierteljahrhundert hin. Im Herbst 1947 erhielt die Bibliothek Ausweichräume in den ehemaligen Parteigebäuden in der Arcisstraße. An der Ludwigstraße konnte der Betrieb erst 1952, nach langwieriger Rückführung der verlagerten Bestände, wieder aufgenommen werden. Benützer und Mitarbeiter mussten aber noch lange Jahre mit baulichen Provisorien leben. 1966 wurden der Erweiterungsbau, entworfen von der Architektengemeinschaft Hans Döllgast, Sep Ruf und Helmut Kirsten, und der Ostflügel, von dem bei Kriegsende nur noch die Außenmauern gestanden hatten, fertiggestellt, und 1970 kam der Wiederaufbau mit der Eröffnung des im Krieg völlig zerstörten Südflügels endgültig zum Abschluss.

Während der West- und der Mitteltrakt des Altbaus nunmehr dem Rechenzentrum und den Sonderabteilungen vorbehalten sind, befinden sich im Südflügel vor allem die Abteilung für Handschriften und Alte Drucke sowie Magazine. Der Erweiterungsbau auf einer Fläche von 59 x 42 x 22 Metern umfasst im Erdgeschoß die buchbearbeitenden Abteilungen Bestandsaufbau und Erschließung sowie Arbeitsplätze der Abteilung Benutzungsdienste, im ersten Obergeschoß den Allgemeinen Lesesaal mit mehr 550 Plätzen, im Untergeschoß den Zeitschriftenlesesaal. Das Erdgeschoß im Osttrakt des Altbaus beherbergt die Buchbereitstellung und die Bildschirmplätze, an denen die Besucher der Bibliothek im Online-Katalog recherchieren und bestellen.

In den Jahren 1995 bis 2004 wurde das Gebäude an der Ludwigstraße einer umfassenden Sanierung unterzogen, für die alles in allem fast 40 Mill. Euro aufgewendet wurden. Sie war notwendig geworden, weil beim Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg vielfach ungeeignete Materialien verwendet worden waren, weil moderne Sicherheitsstandards nur unzureichend erfüllt waren und weil in in den siebziger und achtziger Jahren nur geringe Mittel für den Bauunterhalt zur Verfügung standen. Asbestbeseitigung, Erneuerung der Klimatechnik, Ersatz der Buchförderanlage und Glasfaserverkabelung des gesamten Gebäudes waren herausragende Etappen auf dem Weg der Sanierung, bewältigt durchweg bei laufendem, uneingeschränktem Betrieb. 1997 konnte der von Grund auf modernisierte Allgemeine Lesesaal eröffnet werden, 1999 der Zeitschriftenlesesaal. Die Wiederherstellung der Außenanlagen und ein neues Beschilderungs- und Leitsystem markierten 2004 das Ende der Sanierung. 2007 geland es den  Förderern und Freunden der Bayerischen Staatsbibliothek e.V. Mäzene zu gewinnen, um die Farbigkeit und Ornamentierung der 22 Fensterbögen im großen Treppenhaus in einer an die Gärtnersche Urfassung angenäherten Form wiederherzustellen.

Trotz Wiederaufbau und Erweiterung ist das Fassungsvermögen der Magazine an der Ludwigstraße längst erschöpft. Mehr als die Hälfte des Bestandes befindet sich heute nicht mehr im Haus der Bayerischen Staatsbibliothek, sondern in der  Speicherbibliothek in Garching und in einem Außenmagazin am Rande der Stadt. Pläne zur Erweiterung der Magazin- und Leseplatzkapazitäten am Standort Ludwigstraße sind längst im Detail ausgearbeitet; ihre Verwirklichung scheitert derzeit jedoch an der Knappheit der öffentlichen Kassen.