La primera notícia que tenim d'aquest antic cenobi és de l'any 942, en un document de compravenda. Els orígens del monestir es troben en una petita comunitat eremítica, que hauria fugit de les terres ocupades pels sarraïns. El prevere Cesari fou nomenat abat i en l'any 945 va demanar la protecció del comte de Barcelona Sunyer i de la seva esposa Riquilda per construir en aquest indret un nou temple. Aquest també va comptar amb el vist-i-plau del bisbe de Vic, que va demanar a la comunitat que visquessin sota la regla de sant Benet i que l'església estigués dedicada a sant Pere.

El temple va ser consagrat l'any 957 pel bisbe Guadamir de Vic. Tenia tres altars dedicats a sant Pere, santa Maria i santa Cecília. En l'acta de consagració es va reflexar que el monestir dependria del bisbat de Vic.

En 1023 es va produir un conflicte entre el bisbat i el monestir de Santa Maria de Ripoll, doncs aquest en reclamava la possessió. Aquesta disputa no va anar a més i la vida monàstica va seguir desenvolupant-se amb normalitat fins l'any 1076, quan el comte Ramon Berenguer II va donar el cenobi al monestir de Sant Cugat del Vallès. Els monjos no estaven conformes amb aquesta annexió i van intentar defensar la seva independència. Aquestes disputes van ser tant importants, que va ser necessari realitzar un judici, que va confirmar la dependència entre els dos cenobis. A la pràctica Santa Cecília va mantenir la seva independència malgrat la sentència.

En el segle XIV es va començar la decadència, coincidint amb la puixança del proper monestir de Santa Maria, que aglutinava gran part de les donacions dels habitants i nobles de la zona. L'any 1410 va rebre la visita del papa Benet XIII i el va posar, com el monestir de Santa Maria, sota la tutela directa de la Santa Seu.

La unió d'Isabel i Ferran va significar que tots dos cenobis passessin a dependre del monestir de San Benito el Real de Valladolid.

La vida monàstica va desaparèixer totalment l'any 1539, quan va ser unit al monestir de Santa Maria i quedà relegat a funcions parroquials.

Ja en el segle XIX va patir l'atac de les tropes franceses que rondaven per aquestes contrades. És en aquesta època que va passar a estar dins la jurisdicció del bisbat de Barcelona, com tota la muntanya.

Del recinte monacal només s'ha conservat l'església. La seva datació és polèmica.  Mentre que la majoria dels estudiosos creuen que aquest temple va ser edificat en el segle XI per substituir l'anterior pre-romànic, alguns experts afirmen que el cos de les naus correspon a aquest temple del segle X.

Sigui com sigui, el temple que ha arribat fins als nostres dies té una planta basilical amb tres naus, capçades a l'est per tres absis semicirculars. Aquests estan decorats amb parelles d'arcs cecs, separades per lesenes, segons l'estil llombard.

Té la particularitat que les naus laterals són molt més curtes que la central. Les naus laterals es comuniquen amb la central mitjançant un gran arc de mig punt, situat prop de la capçalera. 

Les naus estan cobertes amb voltes de canó, si bé és probable que inicialment tinguessin cobertes de fusta. En algun moment indeterminat es van refruixir els murs per sostenir la volta de pedra.

L'absis central té dues fornícules, una en cada costat. 

Prop de la fornícula esquerra, es conserva un fragment de pintura mural molt arcaic i molt primitiu, que té l'aparença d'un esbós. Es tracta del cap d'un figura humana, que sembla ser un bisbe amb la mitra decorada amb unes creus circumscrites. 

L'absis central té tres finestres de mig punt i doble esqueixada, que il·luminen el presbiteri. Els absis laterals, en canvi, només tenen una finestra en la seva part central.

L'accés al temple es realitza a través de dues portes obertes en els murs de ponent de les naus sud i central. 

Al costat d'aquesta última podem veure una altra porta cegada, en un nivell superior. Això fa pensar que el nivell de la nau central va ser rebaixat en algun moment.

En la capella nord trobem una altra porta, que comunicava amb les dependències monacals.

L'església està envoltada en el sector sud-oest per un mur on s'obren diverses finestres geminades. Aquestes foren construïdes durant la restauració realitzada per Puig i Cadafalch l'any 1928.

En el monestir de Santa Maria de Montserrat es conserven uns fragments de làpides amb inscripcions, datades en el segle X.