Николо-Шартомский мужской монастырь относится к числу древнейших монашеских обителей России. Первые упоминания о монастыре встречаются в духовной грамоте 1425 года, подписанной архимандритом Кононом. В документе удельная княгиня Мария (в монашестве Марина) передавала земли суздальскому Спасо-Евфимиеву монастырю, что свидетельствует о значительном статусе обители уже в XV веке. Наличие архимандрита указывает на то, что монастырь входил в число крупнейших духовных центров своего времени.
В XVI веке монастырь находился под покровительством великих князей и царей. В 1506 году великий князь Василий III даровал обители несудимую грамоту, освобождавшую её от суда местных властей. Царь Иоанн IV в 1553 году передал монастырю владения из отчины князей Горбатых. В этот период под управлением Николо-Шартомского монастыря находилось девять небольших обителей Владимирской епархии.
XVII век стал временем испытаний для монастыря. В 1619 году обитель была разорена польско-литовскими войсками. Сохранились свидетельства о разграблении церквей, уводе в плен монастырских крестьян и убийстве части братии. В 1624 году монастырь подвергся нападению разбойников, которые похитили казну и убили нескольких монахов. В 1649 году пожар, возникший от удара молнии, полностью уничтожил деревянные постройки монастыря.
После пожара монастырь был отстроен в камне на новом месте ближе к устью реки Молохты. В 1651 году был возведён пятиглавый Никольский собор, представляющий собой образец русско-византийского зодчества. В 1678 году построена тёплая Казанская церковь с трапезной. Строительство надвратной Преображенской церкви продолжалось с 1696 по 1813 год. Архитектурный ансамбль завершила пятиярусная колокольня, создавшая вместе с храмами образ креста.
Церковная реформа 1764 года значительно сократила земельные владения монастыря. Подчинённые ему обители были обращены в приходские храмы. Монастырь перешёл в разряд третьеклассных с братией из 12 человек. В XIX веке с проведением железной дороги утратили значение Никольские ярмарки, что ухудшило материальное положение обители.
В 1920-х годах монастырь был закрыт. Церковные здания использовались под склады и жильё. В 1960 году монастырский комплекс получил статус памятника культуры федерального значения. В 1990 году обитель была возвращена Русской Православной Церкви. Начались восстановительные работы, продолжающиеся по настоящее время.