Um 1207 wurde das Kloster erstmals urkundlich erwähnt. Graf Bernhard II. von Wölpe stiftete den Hof Catenhusen für diese Gründung mit dem Bau einer Kirche. 1312 erfuhr das Kloster eine Erweiterung um Stallgebäude, Scheunen und Wohnhäuser für die Nonnen. Um 1350 wurde die Klosterkirche fertiggestellt. Es handelt sich, den strengen Regeln des Zisterzienserordens folgend, um ein einschiffiges Bauwerk, das möglicherweise die erste backsteingotische Kirche Norddeutschlands ist. Das heutige Konventgebäude entstammt dem norddeutschen Barock. Es wurde zwischen 1726 und 1729 errichtet. Unter dem Dach von Kloster Mariensee wurde 2001 ein Kunstmuseum eröffnet, das dem Künstler Erich Klahn (1901–1978) gewidmet ist, der als Maler, Zeichner, Aquarellist, Illustrator (u.a. für den Ulenspiegel Roman von Charles de Coster) wirkte. Sein größtes Werk ist der Wandteppich, der im Niedersächsischen Landtag hängt.
Wechselnde Ausstellungen widmen sich unterschiedlichen Aspekten seines Lebens und Werkes. Anlässlich der 800-Jahr-Feier 2007 wurde das Museum zur Geschichte des Klosters und evangelischer Frauenklöster in Norddeutschland eröffnet. Die Sonderausstellung zeichnet das Leben der Herzogin Elisabeth von Calenberg-Göttingen (1510–1558) nach. Lassen Sie sich hineinnehmen in die Welt klösterlichen Frauenlebens in Norddeutschland: während des Mittelalters, zur Zeit der Reformation, im 19. Jahrhundert – bis heute. Installationen, Exponate und Tafeln zeigen die zeitbedingten Veränderungen des Lebens. Nehmen Sie in einem Sitzmöbel der Epoche Platz und lauschen Sie Worten und Musik vergangener Jahrhunderte.