Les primeres notícies del nucli monacal de Santes Creus les trobem l'any 1150, moment en que en que el compte de Barcelona Ramon Berenguer IV i Guillem Ramon de Montcada van cedir uns terrenys a Cerdanyola del Vallès. Aquests terrenys no eren aptes per instal·lar-hi una comunitat i va ser necessària una nova cessió de terres, aquest cop per part de Guerau Alemanys de Cervelló, l'any 1158 per posar en marxa una comunitat de monjos cistercencs.

Els primers edificis del monestir es van situar al voltant de la capella de la Trinitat. Uns anys més tard, un cop es van finalitzar les obres de l'església major, es va convertir en la capella de la infermeria.

Està formada per una única nau coberta amb volta de canó lleugerament apuntada, que arrenca d'una motllura que recorre tots els murs. La porta d'accés és de mig punt adovellada i sense decoració.

En el seu interior es conserva un fragment d'una talla de Crist Crucificat renaixentista.

També val la pena aturar-se a contemplar les restes del pati de la infermeria, situades just al davant de la porta d'accés. Encara es poden observar algunes arcades apuntades que l'envolten.

L'any 1174 es va començar a edificar el temple del monestir. També es van iniciar les obres de la sala capitular, del templet, les ales nord i est del claustre i el dormitori. La crisi que va patir Catalunya durant els regnes de Pere I i inicis del regnat de Jaume I, va influir en l'evolució de les obres, que van quedar aturades fins que al segle XIII, moment en que  es va convertir en panteó reial. Pere II el Gran fou el primer rei enterrat a Santes Creus i la seva tomba és una de les peces més interessants del monestir. 

Es tracta d'un baldaquí que imita els models sicilians, realitzat entre els anys 1292 i 1295 i coronat per un esvelt pinacle. Per a la realització del sepulcre es va reaprofitar un vas de pòrfit, sobre el que es va col·locar una urna de doble vessant decorada amb les escultures de quinze sants i de la Mare de Déu amb el Nen. Tot el conjunt es recolza en dos grans lleons. Als seus peus es troba enterrat el seu fidel servidor Roger de Llúria.

A l'altre banda del creuer trobem la tomba de Jaume II i Blanca d'Anjou, inspirada en la del monarca francès Lluís IX. En ella podem observar les imatges dels monarques, que vesteixen els hàbits cistercencs. En el rei podem observar la corona, l'únic element de poder que porta. 

Durant els segles XIII i XIV es van continuar les obres de construcció del claustre, del dormitori, del temple i del palau reial. El temple abacial respon a l'estructura típica dels temples cistercencs.

Té planta de creu llatina i amb tres naus cobertes per voltes de creueria. Les naus acaben en un transsepte on s'obren tres absis rectangulars.

El central presenta una gran rosassa i tres finestres de mig punt a la part inferior. A les parets laterals també hi podem veure una altra finestra. Actualment podem veure en aquest absis un retaule barroc, obra de Josep Tremulles.

L'ara d'altar es recolza en columnes romàniques. 

En el costat dret del transsepte podem trobar una escalinata que ens porta fins al dormitori dels monjos.

Prop de la porta que dóna accés a aquesta dependència podem observar un antic rellotge. 

La gran rosassa està formada per dos cercles concèntrics units per vuit columnes radials que tenen els capitells esculpits amb motius florals. En el centre trobem una corona octolobulada. Els vitralls són els originals.

Els arcs formers que separen les naus estam recolzats en grans pilars rectangulars. Els arcs torals estan sustentats per unes pilastres acabades en permòdols esglaonats.

A la façana oest podem trobar una porta que dóna accés a la nau principal. És una porta de mig punt amb arquivoltes en gradació, que es sustenten en fines columnes i capitells esculpits amb motius geomètrics, vegetals, animals i humans. 

Sobre la porta podem veure un gran finestral gòtic, que il·lumina la nau central. Va ser construït pels volts de l'any 1300 per iniciativa reial, ja que s'allunya clarament de les rígides regles de Sant Bernat. En ell es trobem representades imatges de la vida de Crist i de la Verge. En cada plafó podem veure representada una escena bíblica, amb una exquisit treball digne d'un miniaturista. 

Les naus laterals, en canvi, estan il·luminades per dues finestres de mig punt amb un guardapols. La façana va ser coronada al segle XIV amb merlets.

Aquests merlets estan rematats amb mènsules esculpides amb caps humans, animals i motius geomètrics.

El claustre actual , de planta quadrada, va ser edificat al segle XIV sobre un anterior romànic, per ordre de Jaume II, que no el considerava prou digne per un monestir reial.  És un dels millors exemples de claustres gòtics de la península. 

Des del claustre surt una escala que puja fins al dormitori, una gran sala amb sostre de fusta recolzat en arcs de diafragma. Aquests arcs es sustenten en capitells adossats als murs, que estan esculpits toscament amb motius vegetals.

Des d'aquesta estança surten unes escales que condueixen a la Torre de les Hores, del segle XVI i al cimbori que hi ha sobre el transsepte de l'església. Malgrat ser gòtic, està coronat amb una llanterna barroca.

Sota el dormitori, en el claustre, trobem l'accés a la sala capitular. La porta està flanquejada per dues finestres geminades, emmarcades per dues arquivoltes en gradació, que es sustenten en columnes i capitells. Aquests estan decorats amb motius vegetals.

L'interior de la sala té forma quadrada i les seves voltes de creueria estan sostingudes per quatre columnes. Els capitells i les claus de volta estan decorats amb motius animals i vegetals. Al fons hi trobem tres finestres de mig punt i de doble esqueixada que il·luminen la sala. Al terra trobem les làpides esculpides d'alguns abats del monestir.

El monestir té un altre claustre, proper a la zona on es troba la capella de la Trinitat. És conegut com a claustre de la infermeria i té estructura rectangular. Està comunicat amb el claustre gòtic a través del locutori: una passadís amb volta de canó lleugerament apuntada. Les galeries són embigades i tenen arcs apuntats molt senzills.

Al segle XVIII es van alçar les galeries i encara es poden veure alguns esgrafiats de tipus geomètric que es van fer durant aquesta reforma.

En aquest claustre hi trobem l'accés al Palau Reial, iniciat l'any 1280 per Pere el Gran i ampliat per Jaume II.  Un vestíbul amb sostre enteixinat ens condueix al pati principal. Destaca l'escalinata, els relleus que mostren les armes catalanes, una galeria gòtica, l'enteixinat de fusta policromada i la columna que sustenta l'escalinata. A partir de l'any 1520 es convertí en palau abacial, fins que en el segle XVII es van construir les noves dependències al voltant de la plaça de Sant Bernat Albó, entre les quals hi ha els habitatges pels monjos jubilats i el nou palau abacial.

Altres dependències d'aquest claustre, que encara resten en peu són la cuina (parcialment enrunada), el nou refetor i la presó. Aquesta dependència estava dividida en dues plantes, però el terra del segon pis es va enfonsar. En una de les parets es pot veure una pintura mural, on hi ha representat un calvari, fet per un dels presoners i de poca qualitat. També resten algunes inscripcions de poc interès.

Prop de la presó podem trobar una sala amb una volta sostinguda per dues columnes en forma de palmera i capitells octogonals, on es recolzen els nervis que reforcen les voltes de creueria. La sala estava il·luminada per cinc finestres, avui cegades . En aquesta estança, originàriament estava ubicat l'escriptori, de gran activitat i prestigi durant els segles XII i XIII. Posteriorment, en perdre importància la feina dels copistes, es reconvertí la sala en celler. Actualment no podem gaudir gaire de la vista d'aquesta sala, ja que en ella s'hi ha ubicat part de l'audiovisual sobre el món del Císter i gairebé tota l'estona resta en la penombra.

Al seu costat trobem una sala coberta amb arcs de diafragma apuntats, que originàriament s'utilitzava com a celler. Com en el cas anterior, la utilització d'aquest espai com a lloc de projecció d'audiovisuals ens impedeix gaudir de tota la seva esplendor. 

En la plaça de sant Bernat Albó es troba el nou Palau de l'Abat, construït en 1640 i que actualment acull dependències municipals.

Només entrar trobem un petit claustre, reaprofitat de construccions anteriors, ja que en aquest indret es trobava l'hospital per a pobres.

En l'any 2009 es va descobrir l'antiga galeria gòtica del pis superior. Aquest fet va ser una descoberta inesperada, ja que es creia que la part superior de l'edifici era del segle XVII. S'han deixat a la vista els antics arcs apuntats a l'espera de poder realitzar una campanya d'obres que permeti tornar-los a obrir.

La decadència del monestir va començar amb la Guerra de Successió. L'any 1835 es va procedir a l'exclaustració. En quedar abandonat, el monestir va ser víctima de nombrosos saquejos. Uns anys més tard es convertí en el presidi de Tarragona, el que va comportar importants destrosses a l'estructura, que van ser parcialment restaurades per la Comissió de Monuments de Tarragona.