Fondée avant 1126 à quelques kilomètres de l’emplacement actuel, sous le nom de Grâce-Dieu, l’abbaye cistercienne a été transférée entre 1142 et 1147 à son emplacement actuel, dans le vallon du Talent.
Sa création a bénéficié de l’appui de l’évêque de Lausanne et de la noblesse locale. Elle témoigne des liens d’amitié entre l’évêché de Lausanne et l’ordre cistercien. Dans le système des filiations cisterciennes, Montheron est une fille de Bellevaux (Haute-Saône) et se rattache ainsi à la lignée de Morimond.
Abbaye de dimensions modestes, Montheron n’en a pas moins joué un rôle important dans la mise en valeur des forêts et des terres agricoles du Jorat et dans la création du vignoble de Lavaux. Montheron formait aussi une seigneurie temporelle, et le village de Froideville s’est formé à partir de la communauté de ses sujets.
En 1528, l’abbaye, souffrant de la mauvaise gestion de son abbé commendataire, se place sous la protection de la ville de Lausanne. Le couvent est supprimé en 1536, lorsque la Réforme est introduite par les Bernois, nouveaux maîtres du Pays de Vaud. La République de Berne cède ensuite la seigneurie et les bâtiments de Montheron à la ville de Lausanne, qui en est toujours propriétaire.
Sur l’ancienne salle capitulaire, un temple protestant a été construit en 1590-1592. La façade baroque date de 1778. Le temple de Montheron est actuellement un des lieux de culte de la paroisse réformée du Haut-Talent.