El monestir va ser fundat a principis del segle XII per Ramon de Vallbona, que hi va portar un grup de monges provinents del monestir de Tulebras (Navarra), el primer monestir cistercenc femení de la península.

A finals del segle XII el monestir rebé el favor dels comptes de Barcelona. Alfons I va ser el primer en dotar al monestir d'important bens i privilegis. Altres nobles també contribuïren a fer créixer les possessions del monestir, el que va desembocar en la creació de la baronia de Vallbona en el segle XIII. Formaven part de la comunitat de religioses de clausura membres dels principals llinatges del país. 

A partir del segle XV s'inicià la decadència del cenobi. L'any 1573 es creà la vila de Vallbona de les Monges, seguint les disposicions del Concili de Trento en que es prohibien les comunitats femenines aïllades.

En el segle XVII s'aguditza el declivi del monestir, que va continuar durant el segle XVIII. Les diferents guerres i els plets que les monges van tenir amb les viles que formaven part de la baronia van contribuir a la crisi econòmica del cenobi.

En 1835 el monestir es va salvar de la desamortització, però les monges van haver d'abandonar-lo durant sis mesos. Novament, durant la Guerra Civil, es va abandonar el monestir, que va patir nombrosos desperfectes.

L'església  segueix les característiques d'un temple cistercenc, però amb algunes particularitats. Sorprenen les seves reduïdes dimensions, si la comparem amb els cenobis veïns de Santes Creus i Poblet. Té planta de creu llatina amb una única nau coberta amb voltes de creueria del segle XIV. 

La capçalera la formen tres absis carrats. El central és de majors dimensions i està cobert amb volta de creueria. En el mur est trobem tres finestres de mig punt, similars a les de Santes Creus. Per sobre hi destaca un gran finestral gòtic de factura posterior. També hi podem trobar una porta construïda modernament.

Exteriorment també és molt auster, destacant únicament les mènsules esculpides en que es recolza la cornisa de la teulada. 

En el creuer trobem un element poc comú en els temples cistercencs catalans. Es tracta d'un cimbori que mostra clarament la transició del romànic al gòtic. Externament té forma octogonal i és bastant auster. Només podem trobar unes finestres ogivals molt estretes i contraforts en les arestes. Interiorment, en canvi, destaca per la seva bellesa, malgrat la simplicitat de les formes. Està cobert amb una volta de creueria. Els arcs torals que formen el creuer es recolzen en uns bonics capitells esculpits amb motius vegetals. 

Si observem el  temple des de l'exterior podem veure una altra torre octogonal. És tracta del cimbori-campanar, de factura gòtica. Està situat sobre el segon tram de la nau i és l'element més destacable de l'exterior de l'església. Ens trobem davant una atrevida obra arquitectònica, que malauradament no podem contemplar tal i com va ser construïda. Durant les obres de restauració que s'hi van dur a terme es va comprovar que el pes que exercia aquesta torre sobre la coberta era excessiu i corria el risc d'enfonsar-se. Així doncs es van substituir les pedres originals per unes de menor pes i alleugerir així la coberta i garantir l'estabilitat de l'estructura.

Tornant a l'interior del temple, cal destacar els dos sarcòfags que hi ha en l'absis principal. Corresponen a Violant d'Hongria, esposa de Jaume I i la seva filla Sança. Originàriament tots dos sepulcres estaven empotrats en el mur, si bé el de la reina Violant es retirà del mur per a poder-lo restaurar. Les pintures que els cobreixen són del segle XVIII.

La nau l'ocupa el cor. Tocant a la reixa, en el costat dret, hi ha la capella gòtica del Corpus Christi. Antigament estava decorada amb dos interessants antipendis de tema eucarístic, de mitjans del segle XIV i que en l'actualitat es conserven al Museu Nacional d’Art de Catalunya. Presideix aquesta capella la imatge de la Mare de Déu del cor, una talla de pedra policromada del segle  XIV. Al fons del cor podem observar el conjunt escultòric del Sant Enterrament datat entre els segle XV i XVI. 

La porta d'accés al temple des de l'exterior la trobem en un lloc poc habitual en aquest tipus de construccions: en el mur oest del braç esquerre del transsepte. Data del segle XIII i està formada per cinc arquivoltes de mig punt que es recolzen en capitells esculpits amb motius vegetals. En el timpà podem veure representada a la Verge amb el Nen a la falda. A banda i banda d'aquesta imatge trobem un àngel amb un encensari. La portalada queda coronada per un fris d'arcs cecs recolzats en mènsules esculpides amb caps humans i d'animals, de les quals malauradament només ens han arribat algunes.

En la mateixa plaça on trobem la portalada també podem veure cinc sepulcres, quatre dels quals són del segle XIII, mentre que el cinquè ja és d'època gòtica.

El claustre té forma trapezoidal i respon a diverses etapes constructives. Es va començar a edificar en el segle XII pel costat sud, que és on es trobaven les dependències principals com el refetor, la cuina i el scriptorium. Aquesta galeria està formada per quatre grups de tres arcs de mig punt recolzats en parelles de columnes amb capitells sense esculpir.

La construcció del claustre va seguir pel costat est on es van edificar cinc trams dividits per quatre pilars.

En cada tram podem veure un arc apuntat, dins del qual trobem tres arcs de mig punt i un ull de bou.

Els arcs es recolzen en parelles de columnes amb els capitells esculpits amb motius vegetals.

També val la pena aturar-se a contemplar els ulls de bou decorats amb vuit columnes radials, units al centre per uns entrellaçats d'origen islàmic. Aquesta galeria va ser construïda a principis del segle XIII.

La nau del costat nord es va edificar en el segle XIV ja sota els cànons del gòtic. És la de menors dimensions, però al mateix temps la més espectacular. Adossada al mur del temple es troba aquesta galeria formada per dues grans arcades ogivals amb traceries gòtiques.

Corona el mur un fris d'arcs cecs, recolzats en mènsules esculpides en forma de cap humà. En l'angle nord-oest trobem una gran gàrgola, que té forma de gos.

La darrera nau en construir-se va ser la del costat oest. Es va edificar en ple segle XV imitant l'estil romànic amb arcs de mig punt recolzats en columnes amb doble fust. Els capitells estan esculpits amb escuts heràldics. Alguns arcs ha estat mutilats en afegir-hi posteriorment uns contraforts.   

Tot el claustre està cobert amb voltes de creueria. Durant el segle XIX es van demolir el refetor, la cuina, el scriptorium, així com el dormitori per construir noves dependències.L'any 1986 es procedí a restaurar el conjunt, eliminant els pisos que es van construir al llarg dels segles sobre el claustre medieval. També es va edificar un nou edifici on resideix actualment la comunitat de monges.

La sala capitular es va construir a finals del segle XIV. Contràriament al que succeix en la majoria de monestirs cistercencs destaca per la seva sobrietat. Les voltes són de creueria amb la clau esculpida. La porta que comunica amb el claustre és ogival amb interessants traceries gòtiques. A l'interior de la sala capitular podem contemplar les lloses sepulcrals de les Abadesses i la imatge de la Mare de Déu de la Misericòrdia (s. XV), atribuïda a Pere Joan, escultor de la façana gòtica del Palau de la Generalitat.

En l'any 1895 es va construir una capella en l'ala nord del claustre per albergar-hi la imatge romànica de la Verge Maria amb el Nen a la seva falda. És una peça tallada en pedra del segle XII i que molt probablement presidia el temple durant l'època romànica.