La nascita della Biblioteca risale al 1979 quando gli anarchici pisani su proposta di Franco Bertolucci decidono di intitolare a Franco Serantini - giovane ucciso alcuni anni prima dalla polizia in scontri di piazza - la raccolta che stava prendendo corpo nei locali della sede politica. La Biblioteca mantiene inizialmente un'impostazione di stampo "militante", rivolta ad una fruizione interna al gruppo anarchico, ma ben presto i promotori aprono le porte agli studiosi e al dialogo con la cittadinanza, ponendo le basi di un duraturo progetto culturale improntato sia all'impegno sociale che alla scientificità storiografica.
La sede della Federazione anarchica pisana, situata in via S. Martino 48, viene abbandonata nel 1986 a causa del mancato rinnovo del contratto di locazione. Costretti a denunciare l'assoluta mancanza di spazi sociali per l'associazionismo di base, i curatori della "Serantini" occupano l'ottocentesco Palazzo Cevoli, di proprietà comunale, condividendolo con altre associazioni cittadine. La risposta da parte dell'amministrazione è un'ingiunzione di sfratto, presto diventata esecutiva, e solo nel 1992 si prospetta finalmente una via d'uscita al problema, quando la Provincia di Pisa assume l'impegno di tutelare e valorizzare il patrimonio della Biblioteca individuando dei locali autonomi all'interno del complesso scolastico Concetto Marchesi, dove la "Serantini" è rimasta fino al 2011, quando ha terminato il trasferimento del proprio patrimonio, iniziato nel 2008, presso l'Archivio generale dell'Università di Pisa.
Il primo nucleo librario è costituito dalla donazione dell'anziano anarchico Gino Giannotti, operaio di Santa Croce sull'Arno: una collezione di circa 1.500 pezzi stampati a partire dal 1840, di interesse politico, storico, filosofico, economico e letterario, in grado di offrire uno spaccato delle letture e quindi della crescita culturale e politica di un militante autodidatta nella prima metà del Novecento. Accanto a questo patrimonio la Biblioteca inizia a raccogliere materiale bibliografico di aggiornamento ma anche edizioni risalenti agli albori del movimento operaio, alcune significative per la loro rarità. La politica degli acquisti viene integrata dalle numerose donazioni e specifici nuclei sono stati mantenuti come fondi autonomi intestati al nome del donatore. Tra i fondi personali di maggior interesse si segnalano quelli di Joseph Cono, anarchico italiano emigrato negli Stati Uniti, e di Pier Carlo Masini, testimonianza di un consolidato rapporto di collaborazione e amicizia determinante anche per la nascita della «Rivista storica dell'anarchismo» (uscita tra il 1994 e il 2004) e oggi continuata dai «Quaderni della Rivista storica dell'anarchismo».
Offrendo consolidate garanzie di serietà scientifica, di approccio critico e di consapevolezza nella gestione archivistica e biblioteconomica, la "Serantini" è riuscita ad attrarre diversi complessi documentari provenienti da amici, studiosi e militanti delle organizzazioni protagoniste della scena extraparlamentare, non solo anarchica, degli anni '60 e '70. Nella sezione archivi i fondi di persone e di organizzazioni si sono rapidamente moltiplicati, fino a fare della "Serantini" un centro di primo piano, e non solo a livello locale, per lo studio della cosiddetta "stagione dei movimenti". Da segnalare che la Biblioteca partecipa anche alla rete degli Istituti storici della Resistenza, in qualità di ente collegato.
Il patrimonio complessivo è giunto a contare circa 40.000 monografie (libri e opuscoli) e 4.300 testate di periodici e numeri unici, con una discreta presenza di materiali in lingua straniera, circa 6.000 fotografie e cartoline illustrate, 5.000 manifesti e tatzebao, migliaia di volantini, un centinaio di fondi archivistici, buona parte dei quali dichiarati di "notevole interesse storico" da parte della Soprintendenza, numerose registrazioni sonore e video, nonché quadri, gessi, litografie e testimonianze materiali come cimeli, bandiere, stendardi e striscioni. Il catalogo elettronico della Biblioteca utilizza il software open source Koha ed è consultabile, oltre che da questo sito, sia sul MetaOpac Pisano che sul nazionale MetaOpac Azalai del CILEA.
Considerando le attività di raccolta, ordinamento e conservazione strettamente connesse alla ricerca storica e alla promozione di una cultura libertaria nel dibattito contemporaneo, la "Serantini" si è adoperata sia sul versante della produzione editoriale (con le edizioni BFS, recentemente rinnovate nel progetto complessivo e nella veste grafica), sia nell'organizzazione di convegni, esposizioni, seminari e giornate di studio. Dal 4 al 6 settembre 2009 ha ospitato la XIV conferenza internazionale della FICEDL.
