В конце XV века инок Кирилло-Белозерского монастыряНил (Майков), которого не вполне удовлетворяла существовавшая организация монастырской жизни, когда монахи живут «не по Закону Божию и преданию Святых Отцов, а по своей воле и человеческому рассуждению», со своим сподвижником Иннокентием Охлябининым покинул Кириллов монастырь и отправился паломником на Восток — в Константинополь и на Афон. Возвратившись через несколько лет, Нил Сорский поселился в келье вблизи Кирилло-Белозерского монастыря, но, прожив здесь какое-то время, в поисках ещё большего уединения и для воплощения своих монашеских идеалов ушёл на реку Сору, в места лесные, болотистые, дикие и пустынные. Он писал об этом так: «Ныне вдалее от монастыря переселихся понеже благодатию Божиею обретох место, угодное моему разуму, занеже мирской чади маловходно»[1]. В обители был принят скитский устав, поэтому эта пустынь сначала называлась скитом[2]. Точная дата возникновения монастыря неизвестна.
В 1764 году пустынь была приписана к Кирилло-Белозерскому монастырю. Её самостоятельность была восстановлена только в середине XIX века[2].
В 1862 году Ф. А. Верховцевым была выполнена новая рака, над могилой преподобного[3].
В 1918 году специальная комиссия произвела учёт имущества и ценностей Нило-Сорской пустыни, которые теперь стали «народным достоянием». В апреле 1919 года братия пустыни и жители окрестных деревень заключили договор с Вогнемским советом, а в сентябре того же года Кирилловский исполком, рассмотрев устав Нило-Сорской общины, зарегистрировал её. Это позволило сохранить ядро монашеской организации и структуру её управления, но такое положение продолжалось недолго. В 1924 году договор с Нило-Сорской общиной был расторгнут и на территории монастыря разместили колонию Кирилловского уездного исправительного дома. Возникшая угроза хищения церковных ценностей заставила местные власти хлопотать об их «изъятии для сохранения». В 1927 году Череповецкий губисполком принял решение о закрытии Нило-Сорской пустыни и передаче её сооружений для «культурных нужд» населению. Монахи еще какое-то время жили в Иоанно-Предтеченском скиту, но постепенно одни умерли, а другие разошлись.
Колонию-тюрьму, просуществовавшую до 1930 года, сменил инвалидный дом. В 1961 году на территории монастыря разместился психоневрологический диспансер. Сохранилась часть монастырских построек: перестроенный Тихвинский собор, надвратная Покровская церковь, игуменский корпус и келейные корпуса, встроенные в стены монастыря.
3 декабря 2018 года социальное учреждение было закрыто. Последний пациент и весь персонал Пустынского психоневрологического интерната покинули территорию Нило-Сорской пустыни. В тот же день иеромонах Евфимий (Ершов) был назначен настоятелем архиерейского подворья «Нило-Сорская пустынь»[4], после чего он занялся оформлением документом по передаче бывшего монастырского имущества, которое в тот момент находилось в областной собственности, в собственность возрождаемой обители[5]. 10 декабря на епархиальном собрании Вологодской епархии митрополит Игнатий (Депутатов) призвал всех священнослужителей принять посильное участие в возрождении обители на первом, самом сложном, этапе. На обращение митрополита Игнатия откликнулись настоятели храмов и игумены монастырей Вологодской епархии, пожертвовавшие церковную утварь, богослужебное облачение, книги, иконы. В кратчайшие сроки в храме Тихвинской иконы Божией Матери, который использовался интернатом в качестве столовой и клуба, были проведены работы по подготовке помещений для богослужений. 7 января 2019 года иеромонах Евфимий (Ершов) совершил первую за 89 лет Божественную литургию[6]. 17 февраля 2019 года митрополит Игнатий совершил в монастыре первую литургию архиерейским чином[7]. 30 мая 2019 года Священный Синод Русской православной церкви постановил вновь открыть монастырь, её игуменом стал иеромонах Евфимий (Ершов)[8].
Рачинский А. В. Нилова пустынь в первые полутораста лет её существования : исторический очерк по старинным монастырским бумагам // Чтения в Императорском обеществе истории и древностей Российских при Моск. ун-те. — 1875. — Кн. 3. — С. 1—62 (2-я пагинация).
Ковалевский А. Подвижник Нило-Сорской пустыни иеросхимонах Нил. — 2-е изд. — Кириллов : [б. и.], 1891. — 117 с.
Тюменев И. Поездка в Нилову-Сорскую пустынь // Исторический вестник. — 1898. — Т. 74. — С. 228—244.
Иоанн (Калинин), инок. Описание Нило-Сорской мужской общежительной пустыни Новгородской епархии. — М.: Печатня А. И. Снегиревой, 1913. — 54 с.
Ростиславов А. Скит Ниловой пустыни // Старые годы. — 1913. — Апрель. — С. 46—47.
Иоанн (Калинин), инок. Нило-Сорская пустынь и её подвижники. — Кириллов: Тип. И. В. Малькова, 1914. — 44 с.
Новгородская губерния : обителей мужских 28, женских 16 // Православные русские обители : полное иллюстрированное описание всех православных русских монастырей в Российской империи и на Афоне / [сост. П. П. Сойкин]. — Репринт. изд. — СПб., 1994. — С. 120—153 : ил.
Смирнова А. В. Нило-Сорская пустынь // Кириллов : краевед. альм. — Вологда, 1994. — Вып. 1. — С. 140—156.
Романенко Е. Первый скит России: страницы истории XV—XX вв. // К свету. — [1996]. — № 15: Край Кирилла Белозерского. — С. 62—92.
Шевченко Е. Э. Хозяйственные книги Нило-Сорского скита // Кириллов: краевед. альм. — Вологда, 1997. — Вып. 2. — С. 45—51.
Нило-Сорская обитель: деревня Малая Пустынька // Русские монастыри : Север и Северо-Запад России : Псковская, Новгородская, Санкт-Петербургская, Вологодская, Петрозаводская, Сыктывкарская, Архангельская, Мурманская епархии : посв. 2000-летию Рождества Христова. — М., 2001. — С. 452—459.
Виденеева А. Е. О Нило-Сорской пустыни в первой половине XVIII века // Ферапонтовский сборник. — М., 2002. — Вып. 6. — С. 88—99.
Романенко Е. В. Нил Сорский и традиции русского монашества. — Москва : Памятники исторической мысли, 2003. — 252 с. — ISBN 5-88451-135-3
Русские монастыри: Север и Северо-Запад России. — Т. 2. — 2005. — ISBN 5-93974-004-9.
Павловский А. А. Обители Российской империи : Новгородская епархия // Всеобщий иллюстрированный путеводитель по монастырям и святым местам Российской империи и Афону. — Репринт. воспр. изд. 1907 г. — СПб., 2008. — Ч. 1, гл. 28. — С. 441—479.
Купцова Т. Р. Хронология событий в Нило-Сорской пустыни советского периода // Ферапонтовские чтения : сб. исслед. работ. — Вологда, 2010. — Вып. 3 : История и культура монастырей Русского Севера. — С. 19-23.
Романенко Е. В. Пустыня как место аскетических подвигов иноков Нило-Сорского скита: XVI—XIX вв // Вестник Университета Дмитрия Пожарского. — 2020. — № 1 (17). — С. 187—200.
Ковалёва Ю. В. Нило-Сорская пустынь: основные строительные этапы и особенности объемно-пространственной структуры ансамбля // Русский Север-2022: проблемы изучения и сохранения историко-культурного наследия : Сборник работ VI Всероссийской научной конференции, посвященной 70-летнему юбилею архитектора, автора проектов реставрации храмов Тотьмы Игоря Борисовича Медведева, Тотьма. — Вологда: Общество с ограниченной ответственностью Производственная фирма «Полиграф-Периодика», 2022. — С. 399—405.