Aunque algunas fuentes apuntan a que pudo ser fundado en el año 797 para emplearse como panteón real, el monasterio de San Pelayo, que surgió bajo la advocación de San Juan Bautista, pudo ser fundado, más probablemente, en el siglo X.

Existen igualmente dudas sobre los propios fundadores del monasterio: a cargo de Teresa Ansúrez, viuda de Sancho de León o del propio rey Alfonso II.

En cualquier caso se trata del monasterio benedictino más antiguo de la península y, desde luego, una de las casas aún abiertas mas longevas de España.

Poco después de su fundación se instalan en el monasterio las monjas benedictinas de León que venían huyendo de la destrucción de la ciudad por Almanzor. En el año 925 ya estaban instaladas y se habían traido consigo los restos de San Pelayo que ya custodiaban en León. Durante unos años mantienen la doble advocación de San Juan Bautista y San Pelayo hasta que en el siglo XI comienzan a ser conocidas únicamente como San Pelayo.

En 1515 se unieron a la congregación de San Benito de Valladolid por ser la casa más importante de la orden en el norte de la península.

Entre los siglos XVI y XVII se van a llevar a cabo las grandes obras de restauración y ampliación del monasterio. Renuevan el claustro, las celdas, el locutorio, las cocinas y ya en el exterior restauran las fachadas y levantan las torres.

En los primeros años del siglo XVIII construyen la fachada de la nueva vicaría, las habitaciones de los vicarios y el nuevo vestíbulo del monasterio. En esa epoca comienzan a perder algunas de las donaciones gracias a las cuales habían alcanzado tanto esplendor pero sigue manteniéndose como uno de los monasterios mas importantes de España.

Sigue siendo así durante el siglo XIX a pesar de sufrir los efectos tanto de la Guerra de Independencia en 1808 como de los decretos de exclaustración de Mendizabal en 1835. El edificio sufre grandes daños durante la invasión francesa y con la desamortización perdieron algunos objetos como la urna de plata en la que se conservaban los restos de San Pelayo. Aún así, las religiosas no llegaron a abandonar nunca el monasterio, al menos hasta un siglo después.

En 1934, con las revueltas previas a la Guerra Civil se verían obligadas a dejar la casa. En los años de la guerra el monasterio sería bombardedo y la iglesia quemada.

Tras la guerra las monjas benedictinas consiguen regresar y comenzar con las tareas de reconstrucción y restauración de los restos que se conservan.

Consiguen levantar de nuevo el monasterio que en la actualidad sigue abierto y ocupado por las religiosas de la misma orden. Han logrado mantener uno de los cenobios mas antiguos de España con mas de un milenio de historia.

En la actualidad gestionan una hospedería así como talleres de encuadernación y restauración de libros y documentos, alquilan salas de reunión disponibles para colectivos o empresas y se dedican a la edición y venta de música sacra o libros que versan sobre la propia historia de la institución o de su patrimonio.

Custodian un importantísimo fondo documental y son la sede del actual Archivo Histórico Provincial. Sus archivos incluyen otros fondos de los monasterios de San Bartolomé de Nava, Santa María de Villamayor, San Vincente o Santa María de la Vega al igual que objetos y reliquias propias y de distintas casas de religiosas.