El monasterio fue fundado a principios del siglo XII por Ramon de Vallbona, que trajo un grupo de monjas provenientes del monasterio de Tulebras (Navarra), el primer monasterio cisterciense femenino de la península.

A finales del siglo XII el monasterio recibió el favor de los condes de Barcelona. Alfons I fue el primero en dotar al monasterio de importantes bienes y privilegios. Otros nobles también contribuyeron a hacer crecer las posesiones del monasterio, lo que desembocó en la creación de la baronía de Vallbona en el siglo XIII. Formaban parte de la comunidad de religiosas de clausura miembros de las principales familias del país. 

A partir del siglo XV se inició la decadencia del cenobio. En el año 1573 se creó la villa de Vallbona de las Monges, siguiendo las disposiciones del Concilio de Trento, en que se prohibían las comunidades femeninas aisladas de núcleos urbanos.

En el siglo XVII se agudiza el declive del monasterio, que continuó durante el siglo XVIII. Las diferentes guerras y los pleitos que las monjas tuvieron con las villas que formaban parte de la baronía contribuyeron a la crisis económica del cenobio.

En 1835 el monasterio se salvó de la desamortización, pero las monjas tuvieron que abandonarlo durante seis meses. Nuevamente, durante la Guerra Civil, se abandonó el monasterio, que sufrió numerosos desperfectos.

La iglesia  sigue las características de un templo cisterciense, pero con algunas particularidades. Sorprenden sus reducidas dimensiones, si la comparamos con los cenobios vecinos de Santes Creus y Poblet. Tiene planta de cruz latina con una única nave cubierta con bóvedas de crucería del siglo XIV.

La cabecera la forman tres ábsides cuadrados. El central es de mayores dimensiones y está cubierto con bóveda de crucería. En el muro este encontramos tres ventanas de medio punto, similares a las de Santes Creus. Por sobre destaca un gran ventanal gótico de factura posterior. También podemos encontrar una puerta construida modernamente.

Exteriormente también es muy austero, destacando únicamente los canecillos en que se apoya la cornisa del tejado. 

En el crucero encontramos un elemento poco común en los templos cistercienses catalanes. Se trata de un cimborrio que muestra claramente la transición del románico al gótico. Externamente tiene forma octogonal y es bastante austero. Sólo podemos encontrar unas ventanas ojivales muy estrechas y contrafuertes en las aristas. Interiormente, en cambio, destaca por su belleza, a pesar de la simplicidad de las formas. Está cubierto con una bóveda de crucería. Los arcos fajones que forman el crucero se apoyan en unos bonitos capiteles esculpidos con motivos vegetales. 

Si observamos el  templo desde el exterior podemos ver otra torre octogonal. Se trata del cimborrio-campanario, de factura gótica. Está situado sobre el segundo tramo de la nave y es el elemento más destacable del exterior de la iglesia. Nos encontramos ante una atrevida obra arquitectónica, que desgraciadamente no podemos contemplar tal y como fue construida. Durante las obras de restauración que se llevaron a cabo se comprobó que el peso que ejercía esta torre sobre la cubierta era excesivo y corría el riesgo de hundirse. Así pues se sustituyeron las piedras originales por unas de menor peso y de esta forma se aligeró así la cubierta y garantizó la estabilidad de la estructura.

Volviendo al interior del templo, hay que destacar los dos sarcófagos que hay en el ábside principal. Corresponden a Violant de Hungría, esposa de Jaume I y su hija Sança. Originariamente los dos sepulcros estaban empotrados en el muro, si bien el de la reina Violant se retiró del muro para poderlo restaurar. Las pinturas que los cubren son del siglo XVIII.

La nave la ocupa el coro. Junto a la verja, en el lado derecho, encontramos la capilla gótica del Corpus Christi. Antiguamente estaba decorada con dos interesantes antipendios de tema eucarístico, de mediados del siglo XIV y que en la actualidad se conservan al Museu Nacional d’Art de Catalunya. Preside esta capilla la imagen de la Virgen del Coro, una talla de piedra policromada del siglo  XIV. En el fondo del coro podemos observar el conjunto escultórico del Santo Entierro datado entre los siglo XV y XVI. 

La puerta de acceso al templo desde el exterior la encontramos en un lugar poco habitual en este tipo de construcciones: en el muro oeste del brazo izquierdo del transepto. Data del siglo XIII y está formada por cinco arquivoltas de medio punto que se apoyan en capiteles esculpidos con motivos vegetales. En el tímpano podemos ver representada a la Virgen con el Niño en la falda. A ambos lados  de esta imagen encontramos un ángel con un incensario. La portalada queda coronada por un friso de arcos ciegos apoyados en ménsulas esculpidas con cabezas humanas y de animales, de las cuales desgraciadamente sólo nos han llegado algunas.

En la misma plaza donde encontramos la portalada, también podemos ver cinco sepulcros, cuatro de los cuales son del siglo XIII, mientras que el quinto ya es de época gótica.

El claustro tiene forma trapezoidal y responde a varias etapas constructivas. Se empezó a edificar en el siglo XII por el lado sur, que es donde se encontraban las dependencias principales como el refectorio, la cocina y el scriptorium. Esta galería está formada por cuatro grupos de tres arcos de medio punto apoyados en parejas de columnas con capiteles sin esculpir.

La construcción del claustro siguió por el lado este donde se edificaron cinco tramos divididos por cuatro pilares.

En cada tramo podemos ver un arco apuntado, dentro del cual encontramos tres arcos de medio punto y un rosetón. 

Los arcos se apoyan en parejas de columnas con los capiteles esculpidos con motivos vegetales.

También es interesante contemplar los rosetones decorados con ocho columnas radiales, unidos en el centro por unos entrelazados de origen islámico. Esta galería fue construida a principios del siglo XIII.

La nave del lado norte se edificó en el siglo XIV ya bajo los cánones del gótico. Es la de menores dimensiones, pero al mismo tiempo la más espectacular. Esta galería se encuentra adosada al muro del templo. Está formada por dos grandes arcadas ojivales con tracerías góticas.

Corona el muro un friso de arquillos ciegos, apoyados en ménsulas esculpidas en forma de cabeza humana. En el ángulo noroeste encontramos una gran gárgola en forma de perro.

La última nave en construirse fue la del lado oeste. Se edificó en pleno siglo XV imitando el estilo románico con arcos de medio punto apoyados en columnas con doble fuste. Los capiteles están esculpidos con escudos heráldicos. Algunos arcos han sido mutilados al añadir posteriormente unos contrafuertes para reforzar la estructura.   

Todo el claustro está cubierto con bóvedas de crucería. Durante el siglo XIX se demolieron el refectorio, la cocina, el scriptorium, así como el dormitorio, para construir nuevas dependencias. En el año 1986 se procedió a restaurar el conjunto, eliminando los pisos que se construyeron a lo largo de los siglos sobre el claustro medieval. También se edificó un nuevo edificio donde reside actualmente la comunidad de monjas.

La sala capitular se construyó a finales del siglo XIV. Contrariamente a lo que sucede en la mayoría de monasterios cistercienses, destaca por su sobriedad. Las bóvedas son de crucería con la clave esculpida. La puerta que comunica con el claustro es ojival con interesantes tracerías góticas. En el interior de la sala capitular podemos contemplar las lápidas sepulcrales de las abadesas y la imagen de la Virgen de la Misericordia (s. XV), atribuida a Pere Joan, escultor de la fachada gótica del Palau de la Generalitat, en Barcelona.

En el año1895 se construyó una capilla en el ala norte del claustro para albergar la imagen románica de la Virgen Maria con el Niño en su falda. Es una pieza tallada en piedra del siglo XII y que muy probablemente presidía el templo durante la época románica.