A pesar que no es hasta el año 902 que se encuentra la primera referencia directa a este monasterio, la tradición sitúa su fundación en época mucho más antigua. Antonio de Yepes en su Coronica general de la orden de San Benito publicada en 1609, indica que Cardeña fue fundada en 537 por monjes venidos de Italia en época de Benito de Nursia (c480-d547) y que sería el primer monasterio benedictino de la península. Otras narraciones sitúan esta fundación en épocas más cercanas, como en el siglo VIII. Sin descartar completamente un origen muy antiguo, Cardeña habría sido fundado, o refundado, durante el reinado de Alfonso III de Asturias (866-910) y fue protegido por el mismo monarca. Es en este contexto que el 902 el conde Gonzalo Téllez hizo una donación al monasterio. Cardeña se habría desarrollado de manera rápida, lo que le habría permitido su participación en la fundación del monasterio de San Martín de Albelda (La Rioja), hacia el 924. Se sabe también que el año 934 el monasterio fue atacado y destruido en el transcurso de un ràtzia encabezada por Abderramán III, hecho en el que perdieron la vida monjes de la comunidad, que las crónicas posteriores cifrarían en 200, que tendrían la consideración de mártires.

Se recuperaría con rapidez de la sacudida gracias al apoyo económico de la nobleza especialmente del conde Fernán González (c930-970) quien se relaciona también con la recuperación de San Pedro de Arlanza (Burgos) y otros monasterios. Aparte de la nobleza y la monarquía también fue un lugar privilegiado por la autoridad episcopal, se considera que algunos de los obispos de Burgos habían sido monjes de Cardeña. Entre los siglos X y XI la casa iría adquiriendo prestigio y poder a pesar de sufrir también algunas incursiones islámicas. Entre los años 1056 y 1086 gobernó el monasterio el abad Sisebuto, época que se considera que fue la más prestigiosa y próspera hasta el punto que más adelante este abad adquiriría la consideración de santo. La tradición del monasterio lo vincula también con la figura de Rodrigo Díaz de Vivar, el Cid, alrededor del cual más adelante se tejería su leyenda. El Cid murió en Valencia en 1099 y fue enterrado en la catedral de aquella ciudad pero luego su cuerpo sería trasladado a Cardeña, donde se conserva su cenotafio.

Con el siglo XII llegaría una época de estancamiento y decadencia, hasta el punto de que el 1142 quedó vinculado a Cluny como priorato suyo pero pocos años después recuperaría su independencia. De esta época se conserva, aunque desmembrado y repartido en varios museos, el Beato de San Pedro de Cardeña que se sitúa cronológicamente en el último cuarto del siglo XII. Durante los siglos XIII y XIV la situación del monasterio no mejoró y en 1502 ingresó en la Congregación Benedictina de Valladolid. El monasterio mantuvo su actividad hasta la supresión a causa de la desamortización de 1835 cuando quedó sin actividad monástica durante muchos años, aunque hubo intentos de recuperación de la actividad religiosa. En la época de la Guerra Civil el monasterio sirvió de lugar de internamiento de prisioneros y una vez dejó esta función, en 1946 llegó una nueva comunidad monástica, trapense, que aún se mantiene activa en Cardeña.