Els orígens monestir els trobem en el segle XII, quan es va fundar un cenobi, en aquesta mateixa vall del riu Corb, sota la influència del monestir de Vallbona de les Monges. En 1190, Pere de Tàrrega va fundar el monestir de Santa Maria de Bovera, regit per  la regla del Císter, en el que anteriorment havia estat un santuari eremític on es venerava la imatge trobada de la Verge. La seva filla Elisenda va ser la primera abadessa.

En 1235 es va començar a construir el monestir de Vallsanta en una millor ubicació: amb més aigua i millor comunicada. De fet el 7 de març de 1237, el papa Gregori IX va demanar a l'abat de Citeaux que enviés algunes religioses de Bovera cap a Vallsanta. De mica en mica les religioses van anar abandonant Bovera per establir-se en el nou cenobi, fins que en 1246 deixava d'existir la comunitat de Bovera.

A partir d'aquell moment el monestir comença una petita etapa d'esplendor, que permetrà la construcció d'un nou temple gòtic entre els anys 1345 i 1350. Aquest va ser patrocinat per famílies nobles de la zona com els Guimerà, els Alemany, els Boixadors, els Llorac i els Josa.

Als pocs anys d'haver-se construït l'església, es va produir una esllavissada, que obligà a reparar la nau del temple.

També en el segle XIV es fan reformes en el monestir, tot i que algunes d'aquestes no està clar que s'acabessin realitzant. De fet en un inventari del segle XV es fa referència a l'església, la cuina, un porxo, una sala, el rebost, el forn, el pastador, el celler i el galliner. No s'esmenta cap dormitori comú, ni cap claustre, dependències per a les quals es creu que el monestir va rebre unes rendes, però que no s'haurien arribat a construir.

A partir del segle XV, el monestir comença a decaure. Hi va tenir un paper important una epidèmia que patí el cenobi en 1403. Algunes monges fugiren cap a l'abandonat recinte de la Bovera, però això no evità una gran mortaldat entre els membres de la comunitat. La decadència s'agreujà durant el segle XVI, moment en que es comencen a enrunar algunes dependències. En 1589 ja només vivien a Vallsanta tres religioses. Per aquelles dates, l'abat de Poblet, Francesc Oliver, va visitar el monestir com a visitador general de l'ordre del Císter i després de comprovar l'estat de decadència i d'acord amb les disposicions del concili de Trento, que no permetien l'existència de comunitats femenines aïllades de nuclis urbans, va ordenar l'abandonament de Vallsanta i el trasllat de les religioses al monestir del Pedregal prop de Tàrrega.

Del conjunt monàstic només s'ha conservat una part del temple. Caldria netejar el terreny i fer les pertinents excavacions arqueològiques per tal de poder descobrir restes de les altres estances. Un  conveni signat recentment entre la Diputació de Lleida i l'ajuntament de Guimerà permetrà l'adquisició dels terrenys adjacents a l'església per part del consistori i l'inici de les obres de consolidació de les runes.

Del primer temple romànic del segle XIII, només s'han conservat el fonaments dels seus murs, una petita porta de mig punt adovellada, situada en el mur nord i diversos fragments escultòrics, avui conservats en el Museu de Guimerà.

En el segle XIV es construeix la nova església gòtica. Estava formada per una sola nau, capçada a l'est  amb un absis poligonal.  

En el pis superior destaquen les grans finestres gòtiques, en les que encara es poden observar les traceríes amb les que estaven decorades.

Les parets de l'absis van ser buidades, per encabir-hi capelles radials.

En els espais que hi ha entre les capelles trobem els escuts dels nobles que van col·laborar en la construcció del temple. L'escut més repetit és el que conté la imatge d'un cérvol, associat a la família Cervelló. Algunes fonts afirmen que podria tractar-se d'una sírvia amb banyes i no d'un cérvol i per tant pertànyer a la família dels Boixadors.

Es creu que el temple no es va poder acabar del tot i es va tancar per l'oest amb un simple mur, sense fer cap façana. Tampoc es va construir cap campanar de torre, ni cimbori. Tan sols es va fer un campanar de cadireta d'un sol ull, restaurat recentment. 

Al poc temps d'haver-se acabat el temple es va construir una capella lateral en el sector sud. Havia d'allotjar el sepulcre de Bernat de Boixadors, tot i que es creu que el cavaller no va ser enterrat en aquest indret. La construcció de la capella va provocar que el mur sud es debilités i que entre 1365 i el 1367 s'esfondrés la volta de la nau. En 1371 es procedeix a reparar el temple. Va ser necessari reforçar l'absis amb contraforts i es va construir un gran arc de diafragma en el sector de ponent, reforçat per un contrafort en el mur sud.

En el mur nord es pot trobar una capella de característiques similars, sense que es conegui qui va ser el seu patrocinador. També va ser posterior a la finalització del temple. Té planta hexagonal.

En aquest sector es van realitzar diverses excavacions durant l'estiu de 1986. En aquesta actuació es va trobar un fragment de la tapa d'un sepulcre amb un cavaller esculpit. Per la seva indumentària s'ha datat en el segle XIV. Es creu que podria ser un membre de la família Cervelló, però no s'ha pogut confirmar encara aquesta teoria. També es van descobrir algunes claus de volta. Una d'elles té un Agnus Dei esculpit, mentre que una altra té un guerrer a cavall, amb un cérvol en el seu escut. També es va trobar la llosa funerària d'una abadessa. Es creu que podria ser Aldonça de Castre, abadessa de 1392 i 1404.