Una de las puertas que se abren al patio de los Reyes, bajo el pórtico de la basílica, y al lado derecho, es la de la antigua portería principal del convento. Por ella se entra a un pequeño recinto abovedado llamado Sala de los Secretos por el fenómeno acústico que puede experimentarse al hablar en una pared y oír en la opuesta, sin que se enteren personas colocadas en otros lugares. De ella se pasa a la sala contigua presidida por un lienzo de Ribera sobre la Santísima Trinidad, tema que da nombre a la sala, que también se adorna de otras pinturas: un Diluvio, dos pinturas de granjas, un boceto de Navarrete el Mudo (la Degollación de Santiago), la Virgen amamantando al Niño de Luis de Carvajal (copia de Parmesano), una Sagrada Familia de escuela italiana y un Filósofo.
El claustro principal bajo, que enmarca el patio de los Evangelistas, está formado por una espaciosa galería cuadrada, edificada en granito con bóvedas de lunetos y con muros pintados al fresco con temas del Nuevo Testamento. Las pinturas de más calidad son las del muro oriental-el que corresponde a la sacristía y sirve de acceso a los panteones-; son temas de la vida de Jesucristo que corresponden al boloñés Pelegrino Tibaldi. El resto de los muros en el mismo estilo academicista de Tibaldi se deben a sus discípulos italianos que trabajaron en El Escorial a finales del XVI. En los ángulos del claustro se forman dos capillas o estaciones, una en cada pared, con retablos cuyas puertas, en forma de dípticos, pintadas interior y exteriormente, por Luis Carvajal, Tibaldi, Rómulo Cincinato y Miguel Barroso.
El patio de los Evangelistas es una obra de suma elegancia y armonía, quizá algo fría, con estanques, verdes jardines recortados y templete en el centro con las figuras de los Evangelistas. Su estilo austero, preocupado por eliminar adornos superfluos, corresponde al relevo entre los dos grandes arquitectos del monasterio: Juan Bautista de Toledo, que muere en 1567 cuando se construía el patio, y Juan de Herrera, su ayudante y continuador, artistas que coinciden plenamente en su interpretación clasicista del renacimiento. El patio lo limitan dos niveles de arquerías con sus 88 ventanales y la balaustrada que le sirve de remate sobre la que se superpone visualmente las líneas puras de las torres, cúpula y crucero de la basílica.
La gran escalera principal que enlaza los dos niveles del claustro viene valorándose desde los más antiguos cronistas con frases del tipo "por su grandeza, majestad y adorno puede tenerse por una de las cosas más notables del monasterio". Y, efectivamente, se trata de una obra importante en que arquitectura, escultura y pintura logran un ensamblaje perfecto y monumental. Su traza ha venido atribuyéndose a El Bergamasco, que se incorpora a las obras del monasterio hacia 1567 en los últimos años de su vida, si bien, estudios recientes resaltan la concordancia del diseño con las maneras y estilo de Juan Bautista de Toledo.
El diseño se basa en un solo ramal que se bifurca en dos al llegar al rellano central. Los 52 peldaños de granito, de una sola pieza, y los bien labrados costados y pasamanos cubren a la perfección su función de elevarnos hasta la Gloria, pues aunque la escalera conduce al claustro alto, las puertas de éste se hallan cerradas al visitante por lo que llegar a los últimos peldaños de la escalera sólo sirve para acercarnos a las pinturas de la Gloria que cubren toda la bóveda. Pero vayamos por orden, pues las primeras pinturas que encontramos a partir del rellano central son 5 paneles sobre la vida de Jesucristo, continuación de la serie del claustro bajo, obras de Tibaldi y Luchetto. Sobre éstas el friso y la bóveda fueron pintados un siglo después, en tiempos de Carlos II por Lucas Jordán-Giordano- en un estilo grandilocuente y brioso que contrasta fuertemente con el academicismo de los restantes
frescos.
En los cuatro lados del friso se representan la batalla, asedio y rendición de San Quintín y la fundación del monasterio. Y en la bóveda La Gloria: el trono de la Santísima Trinidad rodeado de nubes, luz y ángeles, la Virgen con ángeles que llevan los símbolos de la Pasión, los reyes Santos, San Jerónimo con hábito de cardenal junto a Carlos V y Felipe II que ofrecen los símbolos de su inmenso poder, San Lorenzo, las Virtudes cardinales, las matronas que representan la Majestad real y la Iglesia católica,... Quizá lo más curioso y auténtico del interminable desfile de personajes y símbolos que cubren la bóveda sea la balaustrada a la que se asoma Carlos II, quien explica a su esposa María de Neuburg y a su madre doña Mariana de Austria el significado de esta pintura que habla mandado ejecutar a sus expensas como fastuosa glorificación de la monarquía austriaca española.
Junto a la escalera principal, accesible desde el claustro bajo, se encuentra otra de las dependencias primitivas del monasterio: la iglesia vieja, que atendió a las necesidades del culto y sirvió de depósito para los cuerpos reales de Carlos V y su esposa hasta que se consagró el templo principal. Se conservan en esta capilla tres cuadros de Tiziano: el martirio de San Lorenzo, en el altar mayor, y la Adoración de los Reyes y un Ecce Homo, en los altares laterales.