A bencés apátságról az első írásos feljegyzés 1146-ból származik. A 12. század első felében tehát már itt állt a Csák nemzetség vértesi monostora. Magát a birtokot Anonymus szerint még Árpád vezér adta Elődnek és I. István király adományozta a Csákoknak. Ők az Árpád-ház kihalásáig birtokolták a területet. A templom és a kolostor építéstörténetét, az egyes építési periódusokat Kozák Éva régészeti feltárásából ismerjük. A napvilágra került falak és a régészeti leletanyag arról tanúskodnak, hogy a kolostor a 12. századtól a 16. századig folyamatosan bővült.

Az árokkal körülvett terület északi részén emelkedtek a monostor legkorábbi épületei: egy egyenes szentélyzáródású templom, a délről hozzá csatlakozó kolostorral. A templomot temető vette körül. A 12. század második felében a korai templom szentélyét két oldalán kápolnákkal bővítették. A kápolnákba a templom hajójának keleti falán vágott bejáraton át lehetett bejutni. Az északi kápolnát később csontkamraként használták.

A következő építési periódusban, 1190-1220 között, a korai épületegyüttestől délre hatalmas méretű, bélletes kapuzatos háromhajós, keletelt*, román kori bazilika épült. A templom belső terét három pillérpár osztotta három hajóra. A keleti oldalon a hosszház kereszthajóval bővült, amelynek félköríves szentélyei nem esnek egy vonalba a mellékhajók tengelyével.

A régészeti feltárások tanúsága szerint a 13. század második negyedében épült a második templom előcsarnoka és a kolostor keleti szárnya. A kolostor két részből egy keleti és egy nyugati szárnyból állt. Köztük az északi végén lezárt kolostor udvar alakult ki, vélhetően kerengő nélkül. A nyugati szárnyat a korai kolostor bővítéseként alakították ki, egészen az előcsarnokig. Feltehetőleg itt nyílt a kolostor főbejárata. A nyugati traktusban még két helyiség lehetett ezen kívül: a kapuhoz közel egy a laikusok (az intézmény nem fölszentelt tagjai) által is látogatható étkező, refektórium és a korai kolostorban kialakított konyha.

1475-ben Újlaki Miklós kérelmet írt a pápához a kolostor ügyében. E szerint „A vérteskeresztúri bencés monostor épületei annyira megromlottak, hogy az apát nem mer benne tartózkodni és jövedelme annyira csekély, hogy két szerzetessel alig tudja magát eltartani.” egyben kéri a pápát, hogy a monostort engedje át a pálos szerzeteseknek. A pápai jóváhagyás megszületett, de érdemben nem történt semmi.

1478-ban Hunyadi Mátyás idején a domonkos rend kapta meg a kolostort, amihez keleten egy egyenes záradékú kápolnát emeltek. Ezzel párhuzamosan lebontották a korai templomot, falait kerítésként használták, a déli kápolna nagyrészt megmaradt és a szomszédos konyhához kapcsolták. Ezzel a plébániafunkciók a nagytemplomba tevődnek át, egy szentélyrekesztővel leválasztva a templom belső terét. Ekkor újították fel a korábbi épületeket, a sekrestyébe és az előcsarnokba új nyíláskereteket faragtak. A 16. század első negyedében még kisebb átalakításokat végeztek a kolostoron, amiről a feltárt műrészletek, faragott ajtókeretek és egyéb reneszánsz faragott részletek tanúskodnak.

* Keleteltnek nevezzük az olyan templomot, amelynél az épület tengelye kelet-nyugati fekvésű és a belső elrendezése olyan, hogy a hívők és a celebráló pap kelet felé fordulva imádkoznak.