En el lado meridional de la iglesia de San Pedro se encuentra adosado un claustro del siglo XII, con el que se comunica a través una portada románica abierta en el segundo tramo de la nave de la Epístola.

El claustro es de planta rectangular, abierta en sus cuatro lados por arcadas de medio punto que apoyan en columnas pareadas sobre podio, con capiteles dobles. Los soportes centrales de cada crujía y las situadas en los ángulos son pilares. Las galerías se cubren con techumbres de madera a una vertiente.

En cuanto a la decoración escultórica de los capiteles, el programa iconográfico original es imposible de conocer debido a la restauración del siglo XIX. En líneas generales puede decirse que, temáticamente, los capiteles pueden agruparse en dos grandes conjuntos: un ciclo evangélico, con escenas de las vidas de la Virgen y de Cristo, en la arquería norte y parte de la oeste; y una serie de escenas del Antiguo Testamento, en las arquerías oeste, sur y este.

El ciclo de la vida de Cristo está compuesto por muchas escenas que vuelven a encontrarse en otras obras del Maestro de San Juan de la Peña: el claustro de San Juan de la Peña, la portada norte de San Salvador de Ejea y la portada oeste de San Salvador de Luesia. Sin embargo, a diferencia de estos ciclos evangélicos, el de San Pedro el Viejo tiene la peculiaridad de estar acompañado por cuatro escenas relativas a la vida de la Virgen; además, conserva todo el ciclo de la Resurrección, inexistente en Ejea y en Luesia, y destruido en San Juan de la Peña; y proporciona escasa relevancia al ciclo del Nacimiento de Jesús.

A continuación, los capiteles de las arquerías oeste, sur y este, están ocupados sobre todo por representaciones zoomorfas, de acuerdo con la dualidad entre escenas de temática cristiana y figuras del bestiario característica del Maestro de San Juan de la Peña. Entre ellos destacan dos escenas muy frecuentes en su producción: la lucha con el dragón y la bailarina contorsionada. Además, intercaladas entre el bestiario hay dos representaciones del Antiguo Testamento, los ciclos de Sansón y de Caín y Abel. El conjunto se completa con un ciclo hagiográfico sobre la leyenda del papa San Silvestre.

En cuanto al estilo de las esculturas, presentan las características habituales del conjunto de obras atribuido al llamado Maestro San Juan de la Peña. Se trataba de un taller itinerante, dirigido por un maestro al que se deben las constantes formales, iconográficas y simbólicas de los distintos conjuntos escultóricos.

Los dos rasgos estilísticos principales de este maestro son el empleo sistemático de un tipo de pliegue semicircular, que suelen representarse enmarcados por grabados concéntricos y decorados por una serie de muescas en sentido transversal; y los peculiares rostros, con ojos abultados de forma almendrada, cuyos párpados e iris están grabados en el interior. Dentro de la evolución de la obra de este escultor, que estuvo en activo aproximadamente entre los años 1165 y 1200, la mayor parte de los capiteles de este claustro pueden enmarcarse en una etapa central de carácter "clásico", con influencias de la escultura castellana contemporánea desarrollada en torno a Santo Domingo de Silos.

Pese a las alteraciones que supuso la restauración del siglo XIX, que dificultan el estudio sistemático del conjunto, se aprecia en algunos de los capiteles de San Pedro el Viejo la intervención de otras manos, que realizan figuras de rasgos femeninos y aspecto orientalizante.

En el ángulo sureste del claustro se encuentra la capilla de San Bartolomé, que fue en origen antigua sala capitular del monasterio, y fue destinada finalmente a panteón real. Entre los sepulcros que hay en la capilla, los más relevantes son los de Ramiro II el Monje, cubierto con una lápida de época romana, y Alfonso el Batallador.

El espacio de la capilla se cubre con bóveda de medio cañón con un arco fajón que apoya en dos columnas con capiteles con sencilla decoración floral. Durante el siglo XVIII se blanquearon los paramentos perdiendo con ello las pinturas murales del siglo XIII. El cuerpo de acceso es posterior, y sufrió, además, modificaciones en el siglo XIX.