Das Schicksal der Großen Bibliothek bei Caesars Eroberung ist umstritten. Einige antike Quellen sprechen von einem Feuer bei Caesars Eroberung der Stadt 48–47 v. Chr. Wie jedoch Edward Parsons in seiner Quellenanalyse nachweist, stützen nur sechs von 16 Quellen über das Alexandria jener Zeit diese Hypothese. Die erste dieser Quellen wurde ca. 100 Jahre nach dem angeblichen Vorfall geschrieben, und die Zahl der angeblich verlorenen Bücher schwankt von 40.000 (die erste Quelle) bis 700.000, also der kompletten Bibliothek (Aulus Gellius). Die letzte Quelle (der Kirchenhistoriker Orosius) spricht wieder von 40.000 Büchern. Das Museion von Alexandria, an das die Bibliothek angegliedert war, existierte mit Sicherheit weiterhin, da mehrere Leiter des Museums aus nachchristlicher Zeit bekannt sind und Plutarch von einem Geschenk von 200.000 Schriftrollen aus der Bibliothek von Pergamon an Caesar schreibt. Der letzte bekannte Leiter des Museions war Theon von Alexandria (ca. 335–405).
Im Jahre 391 wurden vom Patriarch Theophilos von Alexandria alle heidnischen Tempel in Alexandria zerstört; vorausgegangen waren blutige Zusammenstöße zwischen Heiden und Christen, wohl bewusst angeheizt von Theophilos. Christen waren teils von Heiden gekreuzigt worden, die sich im Serapisheiligtum verschanzt hatten. Kaiser Theodosius I. vergab die Morde, um so die Situation zu beruhigen, ordnete aber die Zerstörung des Tempels an.[6] Die Zerstörung des weithin bekannten Serapisheiligtums, das die Tochterbibliothek beinhaltete, sollte eine deutliche Fanalwirkung für die Heiden haben; ob auch das Museion (der „Tempel der Musen“ und damit aller Wahrscheinlichkeit nach die Bibliothek) zu diesem Zeitpunkt zerstört wurde, ist unbekannt, es kann jedoch nicht wesentlich früher oder später geschehen sein. 642 brannte die Bibliothek, nachdem die Araber die Stadt von den Byzantinern (Oströmern) erobert hatten.