La cave de Mouton Rothschild comporte une cave à bouteilles, une vinothèque et le chai de seconde année. La première contient 120 000 bouteilles environ, qui proviennent d’échanges entre Mouton Rothschild et les plus grands châteaux du Bordelais. Ces bouteilles, qui sont rebouchées tous les 25 à 30 ans, accompagneront les repas servis au Château. La Vinothèque conserve les millésimes pour la postérité : 24 bouteilles, 6 magnums et 3 jéroboams de Mouton Rothschild, la plus ancienne bouteille étant un millésime 1859. Enfin, le chai de seconde année reçoit les barriques de l’année précédente, après leur séjour dans le Grand Chai.

Les conditions de conservation sont idéales dans les caves, avec une température constante comprise entre 12 et 15°, un taux d’humidité entre 80 et 90 %, et pas ou peu de lumière.