Монастырь основан в 1314 году ростовским епископом Прохором (в схиме Трифоном) на месте явления Толгской иконы Божией Матери. Согласно летописным источникам, явление образа произошло 8 августа, когда святитель, возвращаясь из Белозерских земель, увидел на противоположном берегу Волги огненный столп. На следующий день на этом месте была обретена икона, ставшая главной святыней обители. В тот же день построена деревянная церковь Введения во храм Пресвятой Богородицы.
В XV веке монастырь пережил пожар, уничтоживший первоначальные постройки, но икона сохранилась. В 1553 году обитель посетил царь Иван IV Грозный, получивший, по преданию, исцеление от болезни ног после молитвы перед чудотворным образом. В благодарность царь выделил средства на строительство каменного Введенского собора.
В Смутное время, в 1609 году, монастырь был разорён польскими интервентами, погибли 46 насельников. Возрождение началось в 1620-х годах при игумене Иоиле. В 1681-1683 годах построен новый Введенский собор с фресками ярославской школы. В конце XVII века при игумене Гордиане сложился архитектурный ансамбль, включающий Крестовоздвиженскую церковь, Святые ворота с Никольской надвратной церковью и каменные стены с башнями.
В 1764 году, после секуляризации церковных земель, монастырь отнесён к третьеклассным. В XIX веке обитель посещали императорские особы, включая Николая I и Александра II. В 1913 году монастырь принял императора Николая II с семьёй. К 600-летию обители в 1914 году проведены масштабные реставрационные работы.
В 1928 году монастырь закрыт советской властью. На его территории размещались детская колония, склады НКВД. В 1987 году обитель возвращена Русской Православной Церкви и стала первым возрождённым женским монастырём в РСФСР. В 1988 году сюда перенесены мощи святителя Игнатия (Брянчанинова). В 2003 году возвращена чудотворная Толгская икона Божией Матери из Ярославского музея.
Архитектурный комплекс включает памятники XVII-XIX веков: пятиглавый Введенский собор (1681-1683) с фресками 1690 года, Крестовоздвиженскую церковь (1625, перестроена в 1838), Спасскую церковь (начало XVIII века) с больничными палатами, где погребён герой Отечественной войны 1812 года генерал Н.А. Тучков. Сохранилась каменная ограда с башнями XVII века и кедровая роща, посаженная в XVI столетии.