El origen remoto de este Monasterio se puede relacionar con "Villa Posídica", una villa romana cuyas ruinas se encuentran a unos doscientos metros del monasterio. Ya en época visigoda, en un lugar conocido como "castrum domnas", se formó una comunidad de monjas que dio lugar al topónimo del monasterio - de (las) Dueñas-, de donde también tomó su nombre el pueblo de Dueñas. En esos momentos la congregación estaba bajo la advocación de San Martín de Tours.

Durante la dominación musulmana de la zona parece que el Monasterio estuvo abandonado y es durante el último tercio del siglo IX cuando se produce la vuelta a la actividad religiosa. Es al rey Alfonso III "el Magno", al que se le atribuye la fundación del Monasterio, según se desprende del privilegio de confirmación de posesiones de Fernando I fechado en el año 1053. Hay otros investigadores que prefieren hablar de una restauración de la vida monástica, en esta ocasión con monjes provenientes de Córdoba, en el mismo lugar donde se hallaba el antiguo y abandonado "castrum" asolado por los árabes.

El primer documento que recoge la existencia de este centro es un privilegio de García I, hijo y sucesor de Alfonso III, otorgado el 15 de febrero de 911, en el que concede todo lo necesario a la comunidad para el sustento de los monjes y la atención de huéspedes y peregrinos. A este monarca también se le considera el responsable de donar las reliquias del mártir alejandrino San Isidoro de Chios, lo que origina el cambio de titularidad del Monasterio. No obstante, el Monasterio mantendrá la doble titularidad (San Martín y San Isidoro) durante los años siguientes.

Entre los años 938 y 1097, las donaciones por parte de los reyes castellano-leoneses se dirigen al monasterio bajo ese doble patronazgo de San Isidoro y San Martín, hasta que a finales del siglo XI quedaba con el nombre de San Isidoro para el monasterio y San Martín para la iglesia próxima al monasterio. El nombre de San Isidoro perduró durante bastante tiempo y es a partir del siglo XV cuando aparecen los primeros documentos en los que se le empieza a conocer como San Isidro, probablemente por una derivación en el lenguaje.

Como monasterio benedictino se pueden establecer tres periodos: fue centro independiente desde finales del siglo IX hasta 1075, posteriormente pasó a depender de Cluny, hasta 1478, y la etapa final en la que se desliga de la Abadía francesa y queda sometido a la Congregación de San Benito de Valladolid hasta 1835.

Tras el proceso de desamortización, durante 56 años, quedó relegado a casa de labranza, hasta el año 1891, en el que se volvió a establecer una comunidad monástica en el Monasterio, tarea que, hasta hoy, llevan a cabo monjes cistercienses.