Монастырь – обитель с большой историей. По благословению Патриарха Никона между 1652—1662 годами, началось строительство мужского монастыря, которое закончилось в 1665 году. Освящение храма было совершено в 1670 году. 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.
В 1871 году игуменья 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 придел в честь святых первоверховных апостолов Петра и Павла.
Этот храм построен в византийском стиле в форме креста и рассчитан на 5000 человек. Колонны с капителями в Казанском храме изготовлены из мрамора привезённого из Италии и обработанного в Санкт-Петербурге в мастерской Баринова.
В 1928 году монастырь был закрыт. 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.
Спасо-Преображенский Усть-Медведицкий девичий монастырь является объектом культурного наследия регионального значения.