La construcción de la cartuja de Pavía fue decisión de Gian Galeazzo Visconti, que inauguró los trabajos el 27 de agosto de 1396, poniendo la primera piedra, como documenta un bajorrelieve en la fachada. La posición era estratégica: a medio camino entre Milán, capital del ducado, y Pavía la segunda ciudad en importancia, donde había crecido el duque y donde tenía su sede la corte, en el espléndido castillo de los Visconti. El lugar escogido para la fundación era un bosque en el extremo septentrional del antiguo parque de los Visconti, una vastísima área cercada que unía el castillo de Pavía con una amplia zona boscosa de caza de los señores de Lombardía[1]​.

La Cartuja es también el resultado de tensiones políticas vinculadas creadas por las nuevas aspiraciones e ideales políticos de Gian Galeazzo, ahora orientados en un sentido monárquico. En 1385 Gian Galeazzo con un golpe de Estado depuso a su tío Bernabò y reunificó los dominios Visconti bajo su mando, sin embargo el nuevo señor de Milán, como su padre Galeazzo II, residió y mantuvo su corte en Pavía, recordando así la memoria (de los del que pretendía ser heredero) de los reyes lombardos y del reino de Italia que, en el Palacio Real de Pavía, habían colocado el centro de su realeza[2]​.

En 1386, queriendo subrayar su centralidad cuestionada por las elecciones del señor, los milaneses decidieron reconstruir un nuevo edificio: la Catedral de Milán. Sin embargo, las relaciones entre Gian Galeazzo y los jefes de la fábrica (elegidos por los ciudadanos de Milán) fueron a menudo tensas: el señor pretendía transformar la catedral en el mausoleo de la dinastía, insertando el monumento funerario de su padre Galeazzo II en el centro parte de la catedral y esto encontró la fuerte oposición tanto de la fábrica como de los milaneses, que querían enfatizar su autonomía. Surgió un enfrentamiento que obligó a Gian Galeazzo a decidir la fundación de una nueva obra destinada exclusivamente a la dinastía Visconti: la Cartuja de Pavía, a la que, sin escrúpulos, asignó en varias ocasiones a muchos empleados de la fábrica del Duomo, incluidos altos cargos como Giacomo da Campione o Giovannino de 'Grassi. En las intenciones del duque, la Catedral era la iglesia de los gremios de nobles, patricios, pueblo, artesanos y comerciantes de Milán, la Cartuja era en cambio la expresión de una nueva forma estatal: el Ducado[3]​.

 

 

 

 

Inicialmente, durante la primera fase de las obras, los monjes residieron en el antiguo castillo de Torre del Mangano y en el castillo de Carpiano (o Grangia), uno de tantos territorios dejados a los monjes por Gian Galeazzo Visconti, para ocupar luego los ambientes conventuales, los primeros en ser edificados.

La iglesia fue el último edificio del complejo que se edificó, e iba a ser el mausoleo familiar de los Visconti. Fue diseñada como una gran estructura con una nave y central dos laterales, un tipo inusual para la orden cartujana. La nave central, en estilo gótico se acabó en 1465.

Dada la ausencia de canteras de mármol y piedra en las inmediaciones de la Cartuja, a mediados del siglo XV se planteó el problema de encontrar el material pétreo necesario para la continuación de la obra. Los cartujos, que disfrutaron de ingresos sustanciales y constantes garantizados por los vastos fondos agrícolas donados por Gian Galeazzo Visconti y sus sucesores de la Cartuja y un fuerte apoyo tanto financiero como político de los Sforza, a diferencia de otras grandes fábricas lombardas contemporáneas, como la de la catedral de Milán y la de la Catedral de Pavía, nunca adquirieron canteras de mármol propias, sino que siempre confiaron en proveedores privados, apoyándose principalmente en la Veneranda Fabbrica del Duomo di Milano. Ya en 1463 el patio milanés suministró el mármol para los capiteles de los claustros y en 1473 se estipuló un contrato entre la Fabbrica del Duomo y los monjes de la Certosa, gracias al cual la Fabbrica se comprometía a garantizar suministros continuos de mármol y piedra de construcción a la Certosa. El control del mármol se confió a Guniforte Solari, quien en ese momento era responsable de ambas obras. Los materiales, que, al igual que los de la Catedral de Milán, disfrutaban de la exención ducal de impuestos, llegaron a la Cartuja por el Navigliaccio y fueron desembarcados en Binasco, desde donde continuaron en carretas hasta el lugar de la obra, sin embargo, después de la restauración del En el tramo de navegación entre Binasco y Pavía (1473) era posible descargar los mármoles y piedras directamente en la Certosa. También en 1473 se iniciaron los trabajos de revestimiento y decoración de la fachada del monasterio, para lo que los cartujos decidieron utilizar, caso único en la zona lombarda, el mármol de Carrara, entonces considerado de mayor valor que el de Candoglia y el coste de los cuales fue mayor que los otros materiales disponibles en el área de la Val d'Ossola[4]​.

Ya en 1476 los cartujos entablaron relaciones con algunas familias de comerciantes y canteros de Carrara, como los Maffioli, arrendatarios de las canteras del marqués Malaspina. El precioso mármol, después de ser embarcado en Carrara, llegó por barco, después de haber circunnavegado Italia, a la desembocadura del Po, desde donde subió a Pavía. El tráfico de mármol de Carrara hacia la Cartuja fue tan voluminoso que los mismos cartujos llegaron a revenderlo a otros astilleros lombardos y en particular a la Veneranda Fabbrica del Duomo de Milán[4]​.

Debido al gran número de años que pasaron desde que comenzó a construirse hasta que se concluyó (1473), los diseños se fueron modificando a lo largo del tiempo debido a que en Italia ya se había difundido un nuevo estilo que acabaría extendiéndose por Europa: el Renacimiento. La fachada actual fue diseñada por Guiovanni Solari, hijo de Guiniforte Solari, el que fuera jefe de las obras desde 1429.

Guiniforte Solari fue seguido como director de las obras por Giovanni Antonio Amadeo, desde 1481. La iglesia se consagró el 3 de mayo de 1497. La parte inferior de la fachada no se completó hasta 1507.

El contrato de construcción obligaba a los monjes a usar parte del ingreso de las tierras tenidas en beneficio al monasterio para continuar mejorando el edificio. En consecuencia, la cartuja incluye una amplia colección de obras de arte de todos los tiempos, desde el siglo XV al XVIII.

Los monjes cartujos que allí residían eran inicialmente doce, en total vida de clausura, y vinculados por un contrato que preveía el destino de parte de sus beneficios (campos, terrenos, rentas, etc.) para la construcción del propio monasterio. En el siglo XVIII el monasterio era propietario de grandes propiedades (en parte ya donadas por Gian Galeazzo y sus sucesores) dispersas en la fértil campiña entre Pavía y Milán, como Badile, Battuda, Bernate, Binasco, Boffalora, Borgarello, Carpiano ( también era propiedad de los monjes el castillo de Carpiano y la iglesia de San Martino), Carpignano, Milán, Giovenzano, Graffignana, Landriano, Magenta, Marcignago, Opera, Pairana, Pasturago, Quintosole, San Colombano (donde también controlaban la castillo de San Colombano) Torre del Mangano, Trezzano, Velezzo, Vidigulfo, Vigano Certosino, Vigentino, Villamaggiore, Villanterio, Villareggio y Zeccone, que suman 2.325 hectáreas (5.745 acres) de tierra irrigada[5]​.

Además, la Cartuja también poseía un gran palacio, con jardín y oratorio en Milán, en la parroquia de San Michele alla Chiusa, un palacio y la iglesia de Santa Maria d'Ognissanti en Pavía y, desde la segunda mitad del siglo XVII, de una gran hacienda especializada en la producción de vino, con un edificio (llamado Certosa Cantù), en Casteggio[6]​.

En 1560, el Prior General de los Cartujos, un tal Piero Sarde, autorizó la instalación de equipos adecuados para la impresión de misales y libros de canto, y el 28 de agosto invitó a todos los monasterios cartujos de Italia a abastecerse exclusivamente de los productos de la nueva imprenta (el primer libro Breviarium Carthusiensis se imprimió en 1561)[7]​.

En 1782, los cartujos fueron expulsados por el emperador José II de Austria, y fueron sustituidos en el monasterio por los cistercienses en 1784 y luego por los carmelitas en 1789. En 1796, como represalia por la revuelta de Pavía, los franceses quitaron la cubierta de plomo del techo de la iglesia contra el ejército de Napoleón, así como la platería litúrgica y el gran baldaquín, recubierto de lascas de oro y piedras preciosas, que se utilizaba para la procesión del Corpus Domini[7]​. En 1810 el monasterio fue cerrado hasta que lo volvieron a adquirir los cartujos en el año 1843. En 1866 fue declarado un monumento nacional y confiscado por el estado italiano, aunque algunos benedictinos residieron allí hasta 1880. Los monjes que actualmente viven en el monasterio son cistercienses que fueron admitidos en los años sesenta.