En el lugar donde se alza hoy el monasterio existió desde la Edad Media un santuario de gran veneración en Barbastro y la comarca del Somontano. Su transformación en monasterio, con la consiguiente renovación y ampliación arquitectónica, es un fenómeno muy reciente, que data del siglo XIX.

Las primeras noticias sobre el lugar de El Pueyo datan del año 1100. Sirvió como punto avanzado para la conquista de Barbastro por Pedro I. Al año siguiente tendría lugar, según la tradición, la aparición de la Virgen al pastor Balandrán. Este narró la aparición a los vecinos de Barbastro, que acudieron en procesión al cerro, donde encontraron, sobre el almendro referido por Balandrán, una imagen de la Virgen. Poco después se construyó en el lugar una ermita para albergarla.

En 1251 Jaime I funda en El Pueyo una capellanía, con una rica dotación económica, a la que siguieron nuevos legados que lo convirtieron en el santuario más importante de la comarca. Era propiedad del concejo de la ciudad de Barbastro, que se encargaba de su administración.

A mediados del siglo XVII está documentada la ampliación de la iglesia primitiva, así como su dotación con objetos votivos. En ese momento el santuario posee un importante patrimonio, integrado por numerosas fincas, que se irá incrementando posteriormente mediante donaciones, compras y permutas. Todas las propiedades reunidas por el santuario fueron puestas a la venta con motivo de la Desamortización de Mendizábal.

Tras un período de crisis, a finales del siglo XIX el santuario fue entregado a la orden benedictina, que en 1889 creó un priorato en el que se establecieron monjes de los monasterios de Treviño en Adahuesca y de Monserrat. Poco antes habían empezado a construirse nuevos edificios (los que hoy en día albergan la biblioteca), que fueron proyectados por el arquitecto barbastrense Justo Formigales y Lucas.

Durante el período en que el santuario fue regido por los benedictinos se construyeron la mayor parte de los edificios que se constituyen el conjunto en la actualidad: hacia 1900, bajo el priorato de mauro Planas, se construyeron la plaza norte y la cisterna, así como la plaza meridional y el edificio de la hospedería.

En 1926 se concluye la actual escalera, fachada y portada de la iglesia. En su interior se derriba el antiguo coro alto. Asimismo, entre 1927 y 1929, sobre planos del benedictino Celestino Gussi, se levantó la nueva ala de los edificios monásticos, en estilo neorrománico, combinando piedra y ladrillo: refectorio, cocina, despensas, sala de visitas, salas de lectura y torreón.

En 1927 se terminó el colmenar. En 1929, la escalera interna y las arcadas de acceso al claustro. En 1930 se cubrió el pajar, destruido por un incendio, y se edificaron tres grandes lagares para el aceite. En 1931 se estaban levantando una serie de arcadas destinadas a sustentar el jardín-clausura para la comunidad. En la iglesia se reformó el camarín, se restauraron los altares de San José y de Santa Escolástica. Además se amplió considerablemente la biblioteca.

El santuario sufrió importantes daños durante la Guerra Civil. Los benedictinos devolvieron El Pueyo en 1962 al obispado de Barbastro. A partir del mismo año, el obispado entrega la gestión del conjunto a la orden claretiana. En 1963 se realizaron obras de acondicionamiento general del conjunto.