Le monastère est le fruit d'une longue histoire. Il y a 165 millions d'années, lorsque la mer recouvrait encore ces régions, au fond des eaux se formait déjà la pierre de teinte ocre jaune, dite pierre de France, qui servirait pour la construction du monastère. Il y a quinze mille ans, sous l'effet de la dernière glaciation, se creusait le vallon destiné à accueillir l'abbaye en son sein.

Les premiers moines à s'installer à Orval arrivèrent du sud de l'ltalie en 1070. Le seigneur de l'endroit, le comte Arnould de Chiny, les accueillit et leur donna des terres prélevées sur son domaine. L'église et les bâtiments conventuels furent aussitôt mis en chantier. Pour des motifs que nous ignorons, ces pionniers se retirèrent après une quarantaine d'années. Othon, fils d'Arnould, les remplaça alors par une petite communauté de chanoines qui put mener à bonne fin les constructions entreprises par leurs prédécesseurs; en 1124, I'église achevée était consacrée par Henri de Winton, évêque de Verdun. Mais les chanoines connurent bientôt des difficultés d'ordre économique. Ce qui les poussa à solliciter leur rattachement à l'Ordre de Cîteaux, alors en pleine expansion. Leur demande fut transmise à saint Bernard, qui accepta, et confia la reprise d'Orval à l'aînée de ses maisons-filles, l'abbaye de Trois-Fontaines en Champagne.

Le 9 mars 1132, sept moines cisterciens arrivèrent à Orval, avec à leur tête Constantin. Moines et chanoines s'unirent en une seule communauté, et s'employèrent aussitôt à adapter les bâtiments aux usages cisterciens. La nouvelle église fut achevée avant 1200.

Les cisterciens veillèrent aussi à créer un domaine agricole et forestier, dont l'exploitation leur permettrait de vivre selon leurs observances. Les terres qui entourent immédiatement le monastère sont pauvres et ne conviennent pas à la culture. Dès 1132, les religieux reçurent un petit domaine à une vingtaine de kilomètres de chez eux, à proximité de Carignan ; ce devait être le noyau de leur plus belle "grange", celle de Blanchampagne. Au cours des années qui suivirent, ils reçurent d'autres terres en donation. Parmi elles, il convient de mentionner le groupe de Buré-Villancy, en Meurthe-et-Moselle, qui sera le centre de l'industrie du fer des moines d'Orval.

Durant cinq siècles, Orval ne connut qu'une existence effacée, semblable à celle de beaucoup de monastères de l'Ordre. Pendant le 12e siècle, I'abbaye paraît avoir été prospère ; dès le milieu du siècle suivant, les calamités seront souvent son lot pour de longues périodes. Elle fut ravagée vers 1252 par un incendie dont les conséquences pesèrent sur la communauté pendant près d'un siècle. Certains bâtiments durent être entièrement reconstruits. La misère fut même un moment si grave que les autorités de l'Ordre de Cîteaux allèrent jusqu'à envisager la suppression du monastère.