Peu avant l’an mil, une vie religieuse croît à Payerne avec le soutien de la famille royale de Bourgogne transjurane. Grâce à l’impératrice Adélaïde, fille de la reine Berthe, la communauté payernoise est rattachée au grand monastère bénédictin de Cluny, en France.
Dès le XIe siècle, une grande église romane est construite. Elle est embellie et transformée au fil des siècles à la demande des prieurs, comme Pierre Vincent de Poligny ou Jean de Grailly.
En 1536, Payerne passe à la Réforme et le monastère est fermé. S’ensuit une longue période, où le monument sert à divers usages civils.
C’est seulement à la fin du XIXe siècle que l’intérêt pour l’Abbatiale est ravivé. Elle sera classée monument historique en 1900 et restaurée à plusieurs reprises au XXe siècle et au XXIe siècle.
