L’origen d’aquest monestir és envoltat de llegendes i narracions tardanes segurament elaborades amb la pretensió de dignificar les seves arrels. L’historiador benedictí Antonio de Yepes diu a la Crónica General de la Orden de San Benito (1609-1610) que l’abadia fou fundada pel rei visigot Recared I († 601) i que fou lloc de retir del rei Vamba, qui havia professat com a monjo al monestir de Pampliega (Burgos) però que després va venir fins aquí cercant aïllament, hauria mort a San Pedro de Arlanza l’any 688 i hi fou enterrat, tot i que hi ha altres relats amb versions diferents.
Aquell monestir primitiu s'hauria perdut amb la invasió islàmica, però hi va quedar un petit nucli religiós de tipus eremític. Aquest punt és el que enllaçaria amb una altra narració que explica com el comte de Castella, Ferran González (c930-970) en el decurs d'una cacera i perseguint un senglar que s'havia amagat en una cova, es va trobar amb una capella habitada per tres ermitans, Pelayo, Arsenio i Silvano. El comte es va quedar a passar la nit amb ells i li van presagiar una victòria militar contra els infidels, després d'això, agraït, Ferran González hauria fundat el monestir de San Pedro de Arlanza.
A banda de les tradicions, sembla que el monestir de San Pedro de Arlanza fou fundat a finals del segle IX o començament del X a partir d’un establiment de tipus eremític o laura que cal situar a l’entorn de l’ermita de San Pelayo (o de San Pedro el Viejo de Arlanza) el que ho lligaria amb la tradició llegendària de l’eremita Pelayo i la cacera del senglar que figura al Poema de Fernán González, possiblement escrit per un monjo d’aquest monestir. Els promotors segurament serien els senyors de Lara, Gonzalo Fernández i Muniadona o el seu fill Ferran González († 970) qui pels volts del 930 va actuar a favor del monestir. En aquest context es va elaborar el considerat document fundacional que porta la data del 912.
A la mort del comte, els seus successors van continuar protegint el monestir de manera molt activa. Tant Ferran González com el seu pare foren enterrats aquí, però només s’ha conservat la tomba del primer, ara a la col·legiata de Covarrubias. Després d’un primer període amb poca vitalitat, durant el segle XI va gaudir d’una època d’expansió, amb suport de la monarquia (Ferran I de Lleó i comte de Castella), quan va aconseguir acumular un ampli patrimoni a més de l’annexió d’altres petits monestirs de la regió. Durant el segle XII les relacions amb la monarquia castellana van continuar, tot i que debilitades. Durant el segle XIII es treballava en la promoció de la figura cabdal del monestir, d’aquesta època és el poema èpic sobre Ferran González.
El 1217 una butlla del papa Honori III confirmava les possessions de la casa. El 1518 es va incorporar a la congregació de San Benito de Valladolid, perdent així la seva relativa independència. En aquesta època també es va treballar en la reforma dels edificis del monestir, abandonant la seva aparença medieval, més endavant acabaria perdent algunes de les dependències més antigues. Hi ha constància que el 1769 el monestir tenia menys de vint-i-cinc monjos, quan anteriorment aquest nombre devia ser més important. Després de patir desperfectes durant la guerra del Francès, el monestir es va clausurar amb la desamortització de 1835.
A causa del seu aïllament, va quedar abandonat i fou víctima de saquejos facilitats per la deixadesa administrativa, es va incendiar el 1894. Seguidament, va començar el trasllat d'elements de valor a altres indrets, alguns a altres establiments religiosos i altres venuts, situació que es va allargar fins ben entrat el segle XX. El perill per la conservació de les ruïnes va restar ben viu fins èpoques ben recents quan es va desestimar definitivament la construcció d'un embassament que hauria negat el lloc. Malgrat tot, les restes que es conserven encara són prou importants, des d'elements preromànics a l'ermita de San Pelayo, fins l'església, torre i sala capitular d'època romànica. El claustre d'aquella època fou substituït per un de nou en època moderna.
Com a resultat de la dispersió, es troben elements d'aquest monestir conservats en llocs ben diversos. Un portal de mig punt, romànic, al Museo Arqueológico Nacional de Madrid. A la catedral de Burgos el sepulcre dit de Mudarra (s. XIII) i diversos capitells. A la col·legiata de Covarrubias el sepulcre de Ferran González. Al Museo de Burgos la Virgen de las Batallas en dipòsit, obra de Llemotges de la primera meitat del segle XIII que es va recuperar el 1999 després d'haver passat per col·leccions privades. Pel que fa a les valuoses pintures murals, venudes a partir del 1930, es troben distribuïdes en diversos museus: el Museu Nacional d'Art de Catalunya, el Metropolitan Museum de Nova York i el Fogg Art Museum.
- AMADOR DE LOS RÍOS, Rodrigo (1896). Las ruinas del monasterio de San Pedro de Arlanza en la provincia de Burgos. Madrid: Hijos de M. G. Hernández
- ANDRÉS ORDAX, Salvador; i altres (2003). Monasterios de Castilla y León. Lleó: Edilesa
- CARRERO, Eduardo; i altres (1993). Arquitectura clasicista en Burgos. Noticias documentales de la obra de Pedro Díaz de Palacios en San Pedro de Arlanza (1629-1659). Anuario del Departamento de Historia y Teoría del Arte, núm. 5
- FLOREZ, Henrique (1824). España Sagrada. Tomo XXVII. Madrid: José del Collado
- GARCÍA GUINEA, Miguel Ángel (dir.) (2002). Enciclopedia del románico en Castilla y León. Burgos. Aguilar de Campoo: Fundación Santa María la Real
- HERRÁEZ, María Victoria; i altres (2003). El cuerpo occidental de la iglesia de San Pedro de Arlanza. Propuesta de reconstrucción histórica. De arte, núm. 2
- IDACIO OBISPO (1634). Monasterio de San Pedro de Arlança, y su aumento. Historias de Idacio Obispo. Saragossa: Escuer
- LAMBERT, A. (1930). Arlanza. Dictionnaire d'histoire et de géographie ecclésiastiques. Vol. 4. París: Letouzey et Ané
- SAINZ SAIZ, Javier (1996). Monasterios y conventos de la província de Burgos. Lleó: Ed. Lancia
- SÁNCHEZ DOMINGO, Rafael (coord.) (2015). El Monasterio de San Pedro de Arlanza. Cuna de Castilla. Burgos: Diputación Provincial
- SENRA, José Luis (1999). La escultura románica y sus problemas de interpretación, el llamado sepulcro «de Mudarra» procedente del Monasterio de San Pedro de Arlanza. Archivo español de arte, vol. 72
- SENRA, José Luis (2006). Mutatis mutandi, creaciones apócrifas en el monasterio de San Pedro de Arlanza (Burgos). Cahiers d'études hispaniques médiévales, nú. 29
- SENRA, José Luis (2018). “Y vivía entre las fieras, pero los ángeles le servían", poder, saber y representación abacial en el monasterio de San Pedro de Arlanza. En busca del saber. Universidad Complutense de Madrid
- SERRANO, Luciano (1925). Cartulario de San Pedro de Arlanza, antiguo monasterio benedictino. Madrid: Centro de Estudios Históricos
- SERRANO, Luciano (1935). El Obispado de Burgos y Castilla primitiva. Desde el siglo V al XIII. Vol. 2. Madrid: Inst. Valencia de Don Juan
- YEPES, Antonio de (reed. 1959). Crónica General de la Orden de San Benito. Madrid: B. Autores Cristianos
- ZARAGOZA, Ernesto (1995). Abadologio del monasterio de San Pedro de Arlanza (siglos X-XIX). Boletín de la Institución Fernán González, núm. 210