El origen de este monasterio está rodeado de leyendas y narraciones tardías seguramente elaboradas con la pretensión de dignificar sus raíces. El historiador benedictino Antonio de Yepes dice en la Crónica General de la Orden de San Benito (1609-1610) que la abadía fue fundada por el rey visigodo Recaredo I († 601) y que fue lugar de retiro del rey Wamba, quien había profesado como monje en el monasterio de Pampliega (Burgos) pero que después vino hasta aquí en busca de aislamiento, habría muerto en San Pedro de Arlanza en el año 688 y fue enterrado aquí, aunque existen otros relatos con versiones diferentes.
Aquel monasterio primitivo se habría perdido con la invasión islámica, pero quedó un pequeño núcleo religioso de tipo eremítico. Este punto es el que enlazaría con otra narración que explica cómo el conde de Castilla, Fernán González (c930-970) en el transcurso de una cacería y persiguiendo un jabalí que se había escondido en una cueva, se encontró con una capilla habitada por tres ermitaños, Pelayo, Arsenio y Silvano. El conde se quedó a pasar la noche con ellos y le presagiaron una victoria militar contra los infieles, tras lo cual, agradecido, Fernán González habría fundado el monasterio de San Pedro de Arlanza.
Tradiciones aparte, parece que el monasterio de San Pedro de Arlanza fue fundado a finales del siglo IX o principios del X a partir de un establecimiento de tipo eremítico o laura que hay que situar en el entorno de la ermita de San Pelayo (o de San Pedro el Viejo de Arlanza) lo que lo vincularía con la tradición legendaria del eremita Pelayo y la cacería del jabalí que figura en el Poema de Fernán González, posiblemente escrito por un monje de ese monasterio. Los promotores seguramente serían los señores de Lara, Gonzalo Fernández y Muniadona o su hijo Fernán González († 970) quien alrededor del 930 actuó a favor del monasterio. En este contexto se elaboró el considerado documento fundacional que lleva la fecha de 912.
A la muerte del conde, sus sucesores continuaron protegiendo el monasterio de forma muy activa. Tanto Fernán González como su padre fueron enterrados aquí, pero sólo se ha conservado la tumba del primero, ahora en la colegiata de Covarrubias. Después de un primer período con poca vitalidad, durante el siglo XI gozó de una época de expansión, con apoyo de la monarquía (Fernando I de León y conde de Castilla), cuando logró acumular un amplio patrimonio además de anexión de otros pequeños monasterios de la región. Durante el siglo XII las relaciones con la monarquía castellana continuaron, aunque debilitadas. Durante el siglo XIII se trabajaba en la promoción de la figura primordial del monasterio, de esta época es el poema épico sobre Fernán González.
En 1217 una bula del papa Honorio III confirmaba las posesiones de la casa. En 1518 se incorporó a la congregación de San Benito de Valladolid, perdiendo así su relativa independencia. En esa época también se trabajó en la reforma de los edificios del monasterio, abandonando su apariencia medieval, más adelante acabaría perdiendo algunas de las dependencias más antiguas. Hay constancia de que en 1769 el monasterio tenía menos de veinticinco monjes, cuando anteriormente ese número debía de ser más importante. Tras sufrir desperfectos durante la guerra de la Independencia, el monasterio se clausuró con la desamortización de 1835.
Debido a su aislamiento, quedó abandonado y fue víctima de saqueos facilitados por el abandono administrativo, se incendió en 1894. Seguidamente, comenzó el traslado de elementos de valor a otros lugares, algunos a otros establecimientos religiosos y otros vendidos, situación que se prolongó hasta bien entrado el siglo XX. El peligro para la conservación de las ruinas continuó hasta épocas recientes cuando se desestimó definitivamente la construcción de un embalse que habría negado el lugar. Sin embargo, los restos que se conservan todavía son importantes, desde elementos prerrománicos en la ermita de San Pelayo, hasta la iglesia, torre y sala capitular de época románica. El claustro de aquella época fue sustituido por otro nuevo en época moderna.
Como resultado de la dispersión, se encuentran elementos de este monasterio conservados en lugares muy diversos. Un portal de medio punto, románico, en el Museo Arqueológico Nacional de Madrid. En la catedral de Burgos el sepulcro llamado de Mudarra (s. XIII) y varios capiteles. En la colegiata de Covarrubias el sepulcro de Fernán González. En el Museo de Burgos la Virgen de las Batallas en depósito, obra de Limoges de la primera mitad del siglo XIII que se recuperó en 1999 después de haber pasado por colecciones privadas. En cuanto a las valiosas pinturas murales, vendidas a partir de 1930, se encuentran distribuidas en varios museos: el Museo Nacional de Arte de Cataluña, el Metropolitan Museum de Nueva York y el Fogg Art Museum.
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