El origen de este monasterio parece remontarse a principios del siglo IX, en el marco de la restauración religiosa y económica del territorio recién conquistado a los musulmanes, bajo la protección de los condes de Tolosa. En el año 871 se documenta el primer abad conocido de Obarra.

Si bien en principio debió de ser un pequeño centro religioso, desde comienzos del siglo X se vincularía estrechamente a la nueva casa condal de Ribagorza, bajo cuyo amparo adquirió gran importancia. En el último tercio del siglo X Obarra adoptó la regla benedictina.

Tras las incursiones musulmanas de comienzos del siglo XI el monasterio jugará un importante papel en la reconstrucción y reorganización del país, saliendo fortalecido de la crisis y conociendo su época de mayor esplendor. Se trata del período del abad Galindo, que abarca el primer cuarto del siglo, en el que se construyó la iglesia de Santa María.

La desaparición de Ribagorza como condado independiente supuso para el monasterio el inicio de una época de crisis y decadencia. Esta se acentuó en 1076, bajo el reinado de Sancho Ramírez, cuando Obarra y otros monasterios ribagorzanos, como San Pedro de Tabernas, son puestos bajo la dependencia del monasterio de San Victorián, pasando a convertirse en prioratos. Incorporada al dominio de este monasterio, Obarra conocerá en los siglos siguientes una historia fluctuante, con épocas de mayor independencia y un variable poder económico.

Por sus repercusiones para la configuración arquitectónica del conjunto que ha llegado hasta la actualidad, deben destacarse el siglo XII, en que se construye la ermita de San Pablo, y el siglo XVI. En este Obarra conoce, gracias al patrocinio de la familia Mur, su último período de esplendor. A mediados de siglo, Pedro de Mur potencia Obarra como centro de devoción y peregrinación, financia la construcción del palacio prioral y dota a la iglesia de Santa María de un nuevo retablo mayor.

La creación del obispado de Barbastro en 1571 supone la desaparición de la vida monástica en Obarra, que pasa a convertirse en un simple santuario en el siglo XVII. En el XVIII se encontraba prácticamente abandonado y convertido en una ermita de culto reducido.

En 1964 una avenida del Isábena destruyó el puente medieval.

El año anterior a este suceso había comenzado la reconstrucción del conjunto, bajo la dirección del arquitecto Francisco Pons Sorolla, que se prolongó hasta finales de la década de 1970.

En 1983 tuvieron lugar nuevas obras de restauración.