Η Μονή πήρε το όνομά της από τον μοναχό Βαρλαάμ, ο οποίος πρώτος ανέβηκε στον βράχο, όπου βρίσκεται το μοναστήρι, στα μέσα του 14ου αι. και έκτισε ένα μικρό ναό αφιερωμένο στους Τρεις Ιεράρχες. Ωστόσο, κτήτορες της Μονής Βαρλαάμ θεωρούνται οι αδελφοί Αψαράδες, Θεοφάνης και Νεκτάριος, οι οποίοι εγκαταστάθηκαν στον βράχο περίπου το 1517 και με τη βοήθεια δύο ακόμη μοναχών ξεκίνησαν την ανασυγκρότηση των ερειπίων των κτιρίων του Βαρλαάμ και έκτισαν το 1541 το καθολικό των Αγίων Πάντων. Επί των ιδρυτών του, το μοναστήρι συγκέντρωσε σημαντική κτηματική περιουσία και η ακμή του συνεχίστηκε και μετά τον θάνατο των αδελφών Θεοφάνη (1544) και Νεκτάριου (1550).

Επίσης, σημαντική για τη Μονή υπήρξε κατά τον 18ο αι. η συμβολή του μοναχού Χριστοφόρου, ο οποίος ταξινόμησε το αρχείο της και αντέγραψε πλήθος ιστορικών κειμένων, ορισμένα μάλιστα από τα οποία εκτίθενται σήμερα στο μουσείο της μονής.

Η πρόσβαση στη Μονή επιτυγχάνεται με την άνοδο 107 σκαλοπατιών που καταλήγουν στην κορυφή του βράχου Βαρλαάμ, όπου ο επισκέπτης θα συναντήσει στα δεξιά του το νοσοκομείο, το παρεκκλήσι των Αγίων Αναργύρων, το καθολικό και τον πύργο, ενώ στα αριστερά του την τράπεζα, το μικρό ναό των Τριών Ιεραρχών, την εστία, τα κελιά και τον ξενώνα.

Το τετράστυλο σταυροειδές εγγεγραμμένο τρίκογχο καθολικό της Μονής κτίστηκε σε σύντομο χρονικό διάστημα με αργούς λίθους. Το εσωτερικό του καθολικού είναι κατάγραφο με τοιχογραφίες υψηλής καλλιτεχνικής ποιότητας που ανάγονται σε δύο χρονικές φάσεις. Στην πρώτη φάση, κατά το 1548, η οποία αποδίδεται στον Θηβαίο ζωγράφο Φράγγο Κατελάνο, διακοσμήθηκαν το ιερό και ο κυρίως ναός, ενώ η λιτή τοιχογραφήθηκε σε δεύτερη φάση, το 1566. Μερική επιζωγράφιση του ναού πραγματοποιήθηκε κατά το 1780 και 1782 με έξοδα του Παρθενίου, επισκόπου Σταγών. Το εικονογραφικό πρόγραμμα είναι ιδιαίτερα πλούσιο, ακολουθεί αθωνικά πρότυπα και έχει αποδοθεί από τους ερευνητές στον κορυφαίο καλλιτέχνη του 16ου αι., τον Θηβαίο Φράγκο Κατελάνο, ιδρυτή της Σχολής της Βορειοδυτικής Ελλάδας.