Qualche decennio più tardi, nel 1218, si iniziava la costruzione dell'abbazia cistercense che, assieme alla cappella di Montesiepi, ancora oggi costituisce l'insieme religioso più rilevante in ambito toscano.
Nel 1262 i lavori erano pressoché compiuti; nel 1288 l'abbazia veniva consacrata.
Tanto rilevante era l'importanza sociale ed economica della struttura cistercense che il Comune di Siena allacciò rapporti con i monaci; nel 1257 uno di essi, don Ugo, aveva ricoperto la carica di "camerlengo", cioè responsabile dell'erario pubblico senese; fra Melano è ricordato per aver stipulato nel 1266 il contratto con Nicola Pisano per la costruzione del pulpito marmoreo nel Duomo di Siena.

La peste del 1348 colpì duramente la comunità monastica, per cui iniziò un progressivo declino, culminato nel 1474, quando i monaci decisero di trasferirsi a Siena nel Palazzo detto di San Galgano; nel secolo successivo la chiesa fu privata della copertura in piombo; né servirono a molto gli interventi di restauro del 1577; le cronache riferiscono della struttura sempre più fatiscente nei decenni successivi, finché due episodi determinarono in modo irreversibile le sorti dell'abbazia: nel 1781 crollarono le parti rimanenti della copertura, nel 1786 un fulmine abbatté anche il campanile.
Nel 1789 l'abbazia venne sconsacrata e di li a poco trasformata in fattoria; alcuni parziali interventi di restauro, effettuati nel corso dell'Ottocento, tamponarono i danni maggiori, ma un vero e proprio intervento di ripristino fu iniziato solo nel 1926 con lo scopo di preservare, consolidandolo, quanto rimaneva della struttura originaria.