Tradicionalmente, se considera que en ese lugar existía un ermitorio que habría sido ocupado por san Millán (473-574), la misma tradición dice que Fernán González hizo levantar a su lado una iglesia y que la dedicó a ese santo. Sin descartar un origen eremítico, anterior a la época islámica, no es hasta 1059 que el lugar se encuentra mencionado documentalmente. Desde el interior de la iglesia se puede acceder a la cueva de San Millán, una estructura anterior a la iglesia medieval. En 1157, el pequeño monasterio que se estableció después de la recuperación del territorio al islam fue entregado por Sancho III de Castilla a la sede episcopal de Burgos y desde ese momento pasó a estar dirigido por un canónigo, conservando el título de abadía.