La fundación del Monasterio de San Miguel de Villamayor de Treviño fue patrocina por Nuño García y Gonzálo Pérez de Padilla, junto con sus familias. Se le otorga la escritura al abad Domingo de la Vid el 3 de mayo de 1166; conjuntamente con este monasterio se le otorgan los monasterios de San Cebrián de Padilla de Abajo, San Esteban de Valderredible, Santa Juliana de Citores, y San Pablo de Sordillos, con la condición de el de Villamayor de Treviño se constituyera en abadía. Asistieron a la firma del documento Pedro, Obispo de Burgos y los prelados de Toledo, Sigüenza, Osma, Segovia, Palencia y Calahorra.

Aunque aceptando las condiciones de la donación, el abad de la Vid establece para el monasterio de San Miguel el rango de priorato, nombrando a Rodrigo como primer abad de Villamayor, manteniendo la advocación de San Miguel. En 1240 el monasterio tomó como patrones a Santa María, San Miguel, Santa Angustia y San Nicolás.

En principio San Miguel se fundó como monasterio dúplice, pero pronto las religiosas fueron trasladadas a San Pablo de Sordillos.

Fueron importantes las posesiones de la abadía así, por ejemplo, en Roda (villa concedida por Alfonso VIII en 1176 junto con su iglesia de San Juan), Santibáñez (actualmente granjas de Olmedo e Idello) y Espinosa de Cerrato, cedida en 1170 por el noble Pedro Martines de Johas. Probablemente los monasterios de Valdegrajera, San Julián y San Clemente, considera filiales, fueron únicamente ermitas aisladas por religiosos de San Miguel.

El 9 de enero de 1223 los herederos del monasterio de Villamayor otorgar una venta a García Fernández, mayordomo mayor de la reina Berenguela, y a su mujer, a doña Mayor, de todo cuando tenían en dicho monasterio y en sus granjas.

A finales del siglo XII y la Orden debía tener problemas por los expolios y latrocinios que padecían gran parte de sus casas. Por ello, en 1199, el Papa Inocencio III concedió privilegio a todos los abades y religiosos premonstratenses de la Circaria de España y, en especial, en favor del abad y convento de Villamayor de Treviño contra los que les robaban.

Por otra parte fueron excelentes las relaciones que San Miguel mantuvo con otras fundaciones monásticas próximas a él, y buena prueba de ello son las tres donaciones de tierras y granjas que el abad y la comunidad de Treviño, según Huidobro y Serna, recibieron de las religiosas de San Felices de Burgos a finales del siglo XIII. A pesar de algún conflicto, también fueron buenas relaciones con el obispado. El 20 de noviembre de 1329 Juan, abad de Villamayor, hace promesa de sumisión y obediencia don García, Obispo de Burgos, con ocasión de su bendición abacial.

Villamayor nunca tuvo abades comendatarios, principal causa en la mayoría de los casos de la decadencia de los monasterios premonstratenses. Sin embargo, en 1443 el abad general de Prémontré encargó una comisión de religiosos franceses para visitar la Circaria y, tras inspeccionar nuestro monasterio de San Miguel, se pronunciaron en una sentencia condenando la relajación del monasterio.

A finales del siglo XVI se levantó de nuevo el monasterio, conservando la iglesia románica.

A partir de la Desamortización de 1835 y, sobre todo, durante la década de 1870-1880 el monasterio fue destruyéndose paulatinamente.

Hasta 1880 quedaban en pie todos sus edificios, pero en la actualidad sólo se pueden apreciar las ruinas de la portada del compás y la cerca.