Probablement l’origen d’aquest monestir estigui en alguna mena de cel·la eremítica situada en les rodalies del monestir, que hauria patit els efectes de la invasió sarraïna i que fou restaurada després de la recuperació del territori. Fr. Gregorio de Argaiz, a la seva obra La Soledad Laureada por San Benito, va fixar la fundació d’Obarenes en l’any 825, sota el regnat d’Alfons II el Cast. Durant el segle IX es registren donacions a favor del monestir, amb diferents advocacions que podrien relacionar-se amb diverses cel·les situades al mateix territori. Consta que el 957 un tal Adolfo va fer una donació al monestir i després va arribar a ser abat del mateix. Inicialment era dedicat als sants Lorenzo, Mamés, Justo y Pastor i Caprasio i conegut com San Mamés de Obarenes.

El monestir fou restaurat el 1151 per Alfons VII de Lleó i la seva esposa Riquilda, passant a ser conegut com Santa Maria de Obarenes. Hi ha poca informació de l’època anterior a la restauració a causa de la mateixa invasió sarraïna i d’una inundació al segle XII, que van destruir l’arxiu. El seu primer abat fou Ismario (1151-?), monjo de Cluny. En el moment de la restauració els monarques li van fer importants aportacions econòmiques, fet que es va repetir més endavant; Lope de Mendoza el 1184 i Alfons VIII els anys 1189 i 1191. El papa Innocenci III el va sotmetre directament a la Santa Seu el 1208. El 1260 li fou unit el monestir doble d’hospitalers de Santa María de Baró (Cantàbria), els membres del qual van passar a l’orde benedictí.

A finals del segle XIII el monestir fou saquejat a ran d’un conflicte bèl·lic, fins aquell moment havia gaudit d’una llarga època d’esplendor. El 1338 l’establiment tenia “més de 20 monjos” però també molts problemes econòmics, en les dècades següents van anar disminuint els membres de la comunitat i les seves rendes. El 1410, Obarenes va intervenir en la fundació de Santa María del Espino. El 1527 fou unit a la Congregación de San Benito de Valladolid, vincle que Roma va ratificar el 1529. El 1693 s'hi va traslladar el col·legi de els benedictins tenien a Santa María de Obona (Astúries).