По благословению Патриарха Никона между 1652—1662 годами, начинается строительство мужского монастыря, которое закончилось в 1665 году. Освящение храма по сложившимся обстоятельствам было совершено в 1670 году.

Первым строителями (настоятелями) монастыря были игумен Исай, старцы Иосиф, Корнил и Кирил.

В 1752 году, в ночь под Пасху, берег был размыт Доном, храм разрушился и сполз в реку. После этого монастырь перенесли в устье балки.

В 1785 году по ходатайству войскового атамана А.И. Иловайского Усть-Медведицкий монастырь был преобразован в женский. В монастырь были переведены 40 девиц, составляющих Сиротинское девичье собрание, под руководством дьякона Сиротинской станицы Василия Михайлова. Первою настоятельницей была назначена вдова войскового старшины Карпова Мария Абрамовна. Последним наставником мужского монастыря был игумен Павлин — усть-хопёрский священник Петр Евтихиев.

В 1871 году игумения Арсения обратилась с прошением к архиепископу Платону о разрешении строительства храма в честь Казанской иконы Божией Матери и получила одобрение. Храм проектировал профессор Санкт-Петербургской академии художеств Иван Горностаев (1821-1874). Строительство храма было окончено летом 1885 года, освящен он был 8 сентября того же года преосвященным Митрофаном. Собор был освящён во имя Казанской иконы Божией Матери, под сводами его, внизу, была создана церковь с алтарём, освящённым во имя преподобного Арсения Великого, а 15 сентября 1885 года был освящён предел в честь святых первоверховных апостолов Петра и Павла.

В 1928 году монастырь был закрыт, часть монахинь репрессировали.

В 1992 году по благословению архиепископа Германа (Тимофеева), вступившего в управление Волгоградской епархией, начинается восстановление монастыря.

В августе 2001 году монастырь был преобразован в женский.

9 сентября 2012 году произошло Великое освящение храма Казанской Божией Матери в праздник 360-летия Усть-Медведицкого Спасо-Преображенского женского монастыря. Открыт верхний храм (верхняя часть Храма Казанской иконы Божией Матери), на реставрацию которого ушло более 20 лет.