Tradicionalmente se le ha atribuido a Valvanera un origen milagroso, aquellos hechos tuvieron lugar cuando Nuño encontró una imagen de la Virgen y poco después se reunió a su alrededor un grupo de eremitas que darían paso a la comunidad monástica. Se sitúa esta historia a finales del siglo XI y se conoce el nombre de su primer abad, Sancho. Lo cierto es que los orígenes están poco documentados y son bastante oscuros. A mediados del siglo XI se encuentran donaciones de bienes a favor del lugar y un siglo después de la considerada tradicionalmente fundación, el 1092, el rey Alfonso VI de León otorgaba a aquella iglesia privilegios mencionando su estado de deterioro.

También se ha considerado que desde su comienzo, en Valvanera se seguía la Regla de San Benito, desde el 1233 al 1524 perteneció a la Congregación Tarraconense y a partir de esta última fecha a la de Valladolid. Pese a ser un santuario de gran devoción, el monasterio a pesar de la protección recibida por la realeza no se convirtió en un centro importante, si lo comparamos con otros de la zona, como San Millán de la Cogolla. En el siglo XIX sufrió los trances de la época, con exclaustraciones motivadas por la guerra de la Independencia (1809), el Trienio Liberal (1820) y la desamortización de 1835. Se restauró a partir de 1883 tanto en sus construcciones como por el retorno de una comunidad benedictina. Se considera que la imagen restaurada de la Virgen de Valvanera que se venera en el santuario es románica, del siglo XII. La iglesia actual es, básicamente, el resultado de las construcciones levantadas en los siglos XV y XVI.