Probablemente el origen de este monasterio esté en algún tipo de celda eremítica situada en las cercanías del monasterio, que habría sufrido los efectos de la invasión sarracena y que fue restaurada después de la recuperación del territorio. Fr. Gregorio de Argaiz, en su obra La Soledad Laureada por San Benito, fijó la fundación de Obarenes en el año 825, bajo el reinado de Alfonso II el Casto. Durante el siglo IX se registran donaciones a favor del monasterio, con diferentes advocaciones que podrían relacionarse con varias celdas situadas en el mismo territorio. Consta que el 957 un tal Adolfo hizo una donación al monasterio y luego llegó a ser abad del mismo. Inicialmente estaba dedicado a los santos Lorenzo, Mamés, Justo y Pastor y Caprasio y conocido como San Mamés de Obarenes.

El monasterio fue restaurado en 1151 por Alfonso VII de León y su esposa Riquilda, pasando a ser conocido como Santa María de Obarenes. Hay poca información de la época anterior a esta restauración debido a la misma invasión sarracena y una inundación en el siglo XII, que destruyeron el archivo. Su primer abad fue Ismario (1151-?), monje de Cluny. En el momento de la restauración los monarcas le hicieron importantes aportaciones económicas, lo que se repitió más adelante: Lope de Mendoza en 1184 y Alfonso VIII los años 1189 y 1191. El papa Inocencio III lo sometió directamente a la Santa Sede en 1208. El 1260 le fue unido el monasterio doble de hospitalarios de Santa María de Baró (Cantabria), cuyos miembros pasaron a la orden benedictina.

A finales del siglo XIII el monasterio fue saqueado a raíz de un conflicto bélico, hasta ese momento había disfrutado de una larga época de esplendor. En 1338 el establecimiento tenía "más de 20 monjes" pero también muchos problemas económicos, en las décadas siguientes fueron disminuyendo los miembros de la comunidad y sus rentas. En 1410, Obarenes intervino en la fundación de Santa María del Espino. En 1527 fue unido a la Congregación de San Benito de Valladolid, vínculo que Roma ratificó en 1529.