La tradición dice que el monasterio tiene origen visigótico, aunque la primera referencia a la fundación la tenemos en un documento del año 952 en el que se cuenta que el monasterio fue fundado por el monje Martín y su comunidad, procedentes del monasterio de San Cebrián de Mazote en Valladolid, que abandonaron su anterior asentamiento debido a las malas condiciones de vida que ofrecía. No está clara la fecha de llegada de los monjes, se barajan dos años 897 o 916.

Por una inscripción en la fachada, sabemos que en el año 921, el abad Juan, procedente de Córdoba, construyó una iglesia para el monasterio, sobre una que existía antiguamente. Durante el s. X el monasterio se afianzó en la zona y expandió su patrimonio a partir de la acción favorable de los monarcas. Así, Ramiro II confirmó la propiedad del lugar y de tierras circundantes, como la aldea de Vigo o tierras y vides en la comarca y en Tierra de Campos. Ordoño III intermedió a favor del monasterio en un pleito por la propiedad de los derechos sobre las pesquerías del lago Sanabria.

En 1150, Alfonso VII de León y Castilla dona el lugar de Castañeda al monje Pedro Cristiano, del monasterio de Carracedo. Vinculando la casa de San Martín a la de Carracedo, de la que dependería desde ahora, e introduciendo la regla de San Benito, que venía a sustituir probablemente a la de San Fructuoso. Este hecho, vino a interrumpir el proceso de decadencia en el que estaba sumido el monasterio e inauguró una nueva época en la que se acometió la reforma de la iglesia, además de producirse importantes donaciones y compras de nuevos terrenos.

Carracedo se unió a la orden del císter en 1203, por lo que San Martín debía seguir sus pasos, aunque debido a las múltiples oposiciones a abrazar una nueva orden por parte de la comunidad de Castañeda, el proceso no pudo ser completado hasta 1245. Tras una largo periodo de estabilidad, el monasterio entró en un nuevo periodo de decadencia debido a las crisis políticas y religiosas de los siglos XV, la solución vino dada en el año 1542, por el ingreso del monasterio en la Congregación de Castilla, que contemplaba la reforma religiosa cisterciense iniciada en el s. XV por el monasterio de Montesión en Toledo. Es entonces cuando se emprenden obras de reforma y ampliación en el monasterio, construyéndose la sacristía y la portada occidental del templo.

En el siglo XVII se dividió la Congregación de Castilla en cuatro provincias, a partir de la bula Quatripartita del papa Clemente XII, el monasterio de Castañeda pasó a formar parte de la provincia de Galicia. En el s. XIII se llevó a cabo la construcción de la fachado conventual. Con la llegada del s. XIX el monasterio fue golpeado por la Guerra de la Independencia y por las desamortizaciones, que le privaron de parte de sus bienes. En 1835 el monasterio cierra definitivamente sus puertas debido a la exclaustración decretada por Mendizábal.