El origen de este Monasterio se relaciona con algunos enclaves eremitas situados en los Montes Obarenes, entre Pancorbo y el Ebro, territorio muy importante en la vida religiosa durante los primeros momentos de la repoblación. De esta etapa no hay mucha información, se conoce la existencia de comunidades religiosas en la zona en el año 867 bajo diferentes advocaciones: San Lázaro, San Mamés, Santos Justo y Pastor y San Caprasio y se conservan algunos restos, una necrópolis y varias cuevas excavadas.

En 1151 el rey Alfonso VII (1105-1157) y su esposa Riquilda, refundaron el monasterio pasando a ser conocido definitivamente como Santa María de Obarenes y otorgándole el título de "Imperial". Durante la segunda mitad del siglo XII continuaron las restauraciones y concesiones de tierras por parte de los monarcas permitiendo su desarrollo material y artístico.

En 1208 el papa Inocencio III lo puso bajo la protección de la Santa Sede y en 1260 le fue anexionado el monasterio cántabro de Santa María de Baró, pasando sus miembros a la orden benedictina. A finales del siglo XIII el monasterio fue saqueado y a mediados del siglo XIV empezó a evidenciar graves problemas económicos. En 1410 intervino en la fundación de otro monasterio burgalés, el de Santa María del Espino y en 1527 fue unido a la Congregación de San Benito de Valladolid, vínculo que Roma ratificó dos años más tarde.

Un incendio en 1781 destruyó prácticamente todo el monasterio, excepto la iglesia, pero fue restaurado rapidamente y en cuatro años el daño quedó reparado. Manuel Alvarado, su último abad, murió en el año 1835, coincidiendo con el proceso de desamortización que acabó con el monasterio. Actualmente es de propiedad particular.