El origen de este cenobio se remonta a un antiguo monasterio levantado a principios del siglo XI bajo la advocación de San Vicente. En el siglo XIII una parte de Villamayor pasó a pertenecer a la poderosa familia Fernández-Arias. Don García y su esposa acordaron fundar un monasterio cisterciense, cuya abadesa fuera doña Marina Arias, monja ya en Las Huelgas Reales de Burgos. La fábrica debió concluirse en 1228, año en el que fue solemnemente inaugurada la iglesia. De esta época se conserva la iglesia abacial y el claustro.

La iglesia constituye uno de los mejores ejemplos de pureza y elegancia dentro del estilo ojival de la escuela cisterciense y se vio muy influida por el arte de la Catedral y del Monasterio de las Huelgas de Burgos. Consta de una sola nave, crucero acusado y cabecera compuesta por tres capillas, la central poligonal y las laterales con testero plano. Cabe destacar su elegante ábside al exterior con seis contrafuertes prismáticos adosados al muro y tres vanos rasgados. Estos últimos se componen de arco apuntado y óculo rematados con chambranas apuntadas y apoyadas sobre ménsulas con cabezas humanas. En contraste con el decorado ábside central se encuentran los laterales caracterizados por su simplicidad con lienzos lisos y vanos simples. A los pies de la iglesia se sitúa el coro abacial, estancia cubierta por una bóveda barroca de yeso que sustituyó al primitivo techo de madera incendiado en 1575 y que quizá tuviera elementos mudéjares. La sillería, de elegante sobriedad clasicista, fue realizada en el siglo XVII. Asimismo, cabe destacar en esta estancia algunas figuras escultóricas de gran calidad como son las tallas góticas de Santa María la Real, señora del monasterio y la de Dios-Padre. También se conservan otras tallas del siglo XVI pertenecientes a un retablo desparecido.

El claustro, centro de la vida monástica, se sitúa en el lado sur de la iglesia. Es de estilo tardorrománico con planta irregular, pues su número de arquerías no permitió conformar ni un cuadrado ni un rectángulo. Es de un solo cuerpo y sus cuatro pandas están formadas por arcos de medio punto sustentados por columnas dobles y en las esquinas haces de cinco columnas. Destacan también la esquemática decoración de los capiteles, compuesta por motivos vegetales y el pavimento, un singular empedrado de guijarros que debió realizarse en el siglo XVI. En dicho suelo se representan diversas escenas de animales heráldicos, aves, conejos, ciervos, además de motivos geométricos. En el ala de poniente se encuentra el pozo, elemento imprescindible para el abastecimiento de agua a la comunidad y para el riego de la huerta. El acceso al coro desde el claustro se realiza a través de una puerta de arco apuntado y doble arquivolta, fechada a mediados del siglo XIII.

El conjunto monástico se completa con otras dependencias, como la sala capitular, y el templo parroquial de San Vicente adosado a la iglesia. En la actualidad este lugar permanece habitado por monjas cistercienses que, además de atender a sus obligaciones de oración y culto, llevan a cabo otras tareas relacionadas con el estudio, la publicación de libros y revistas o la cocina, siendo muy afamada la repostería de este monasterio.