Die Geschichte der Einsiedelei ist eng mit jener der Stadt Solothurn verbunden. Die heilige Verena, die der Schlucht ihren Namen gab, lebte während langer Jahre in Einsamkeit nahe der Aarestadt, wohin sie sich nach dem Tode der Solothurner Stadtheiligen, der beiden Märtyrer Urs und Viktor zurückgezogen hatte.
Die Geschichte beginnt weit weg, im fernen Aegypten: in der Stadt Theben lebten unter vielen Christen Urs und Viktor. Der Befehl der Kaiser Diokletian und Maximian führte sie mit der thebäischen Legion nach Rom, wo sie erfuhren, dass sie zur Ausrottung der Christen gerufen worden waren. Als der Kaiser seinem Heer den Befehl gab, den Göttern zu opfern, blieb die Legion, für die es nur einen Gott gab, abseits stehen. Da sie sich weiteren Befehlen widersetzte, liess Maximian zur Abschreckung jeden zehnten unter ihnen enthaupten und liess, da dies keine Wirkung zeigt, die ganze Legion niedermetzeln.
Die Schergen des Kaiser hatten jedoch nicht alle Thebäer erwischt. 66 Männern, unter ihnen Urs und Viktor gelang die Flucht nach Salodurum, wo als Statthalter Hirtakus regierte. Dieser liess die Flüchtlinge auf Befehl des Kaisers verhaften; die Gefangenen liessen sich auch nach Folter und Kerker nicht in ihrem Glauben beirren, und so liess Hirtakus auf dem den Göttern Jupiter und Merkur geweihten Hermesbühlplatz Holzstösse errichten.
Die Gefangenen sollten opfern oder verbrennen. Die Thebäer hielten ihrem Gott die Treue, und als die laut betenden Männer zu den Holzstössen geführt wurden, zogen bedrohlich schwarze Wolken auf, und noch ehe der erste Legionär ins Feuer gestossen werden konnte, prasselte heftiger Regen nieder. Voll Schreck floh das schaulustig herbeigeeilte Volk in die Stadt.
Hirtakus liess sich nicht einschüchtem und befahl den Thebäern bei der Brücke die Köpfe abzuschlagen. Haupt um Haupt fiel in die Aare, Rumpf um Rumpf wurde ins Wasser gestossen. Die Wellen trieben die Toten die Aare hinab und das entsetzt staunende Volk sah, wie sie unterhalb des Castrums, dort, wo heute der Klosterplatz liegt, in eine Bucht getrieben wurden. Dort stiegen sie aus dem Wasser, nahmen den Kopf unter den Arm und legten sich so, inmitten des römischen Friedhofs, ins Grab.
Mit jenem Schiff, das die thebäische Legion von Aegypten nach Italien brachte, reiste nun eine Jungfrau mit: Verena reiste mit aus Zuneigung zu dem Legionär Viktor. Sie blieb auf dem Weg nach Norden in Mailand, um dort Kranke zu pflegen. Als die Schreckensnachricht von den Enthauptungen der Thebäer sie erreichte, eilte sie unverzüglich nach Salodurum. Unweit der Stadt fand Verena in einer engen Waldschlucht Unterkunft, wo sie während langer Jahre hauste.
Tagsüber brachte sie den Kranken in ihren armseligen Hütten heilende Kräuter und manch guten Rat. Oft suchten Kinder die Einsiedlerin in ihrer Höhle auf, denen sie, bevor sie ihnen Geschichten erzählte, Hände und Gesichtlein wusch und ihnen mit dem Kamm durch das wilde Haar fuhr. So ist es gekommen, dass Verena auf allen Bildern mit einem Wasserkrüglein und einem hölzernen Kamm dargestellt wird.
Hirtakus, der glaubte, alle Christen seien ausgerottet, erfuhr von dem Wirken der frommen Frau und liess sie kurzerhand in den Kerker werfen. Die Klausnerin wurde, wie vor ihr die Thebäer, vor die Wahl gestellt, zu opfern oder zu sterben. Plötzlich wurde Hirtakus krank und kein Arzt vermochte ihn zu heilen. Verena gelang es, dem Landpfleger zu helfen, und so durfte sie wieder in ihre Höhle ziehen.
Als sie eines Tages, von anstrengender Krankenpflege ermüdet, den Heimweg durch die dunkle, regennasse Schlucht suchte, glitt sie aus. Eine klitzekleine Öffnung in der glatten Felswand, in der ihre ausgestreckte Hand im letzten Moment noch Halt zu fassen bekam, rettete ihr Leben. Bis in unsere Zeit haben viele Menschen, um Heilung flehend, ihre Hand in dieses Öffnung gehalten.
Von bösen und neidischen Menschen verfolgt, hielt es die fromme Verena nicht mehr lange aus. Sie nahm Abschied von den Gräbern der Thebäer und fuhr, auf einem Mühlstein sitzend, flussabwärts, bis dorthin, wo die Aare in den Rhein mündet. Bis zu ihrem Tod im Jahre 344 n.Ch. lebte Verena in Zurzach, wo sie begraben liegt. So sagt die Legende.
Die ersten schriftlichen Nachrichten über die Einsiedelei finden sich erst im 15. Jh.: 1426 wird die Martinskapelle erwähnt, und eine Notiz aus dem Jahre 1458 berichtet vom hohen Alter und dem baufälligen Zustand der Verenakapelle.
Im 18. Jh. verlor die Einsiedelei St. Verena ihre Bedeutung als Kultstätte, was sich im besonderen darin zeigte, dass als Hüter der beiden Kapellen keine Ordensleute mehr eingesetzt wurden, sondem Laien. Dieser Posten scheint jedoch recht beliebt gewesen zu sein, denn die meisten "Waldbrüder' waren Stadtsolothurner, bei deren Tod es regelmässig zu Wettbewerben zwischen den Anwärtern kam.
Die mit der Aufklärung erwachende Schwärmerei für romantische Naturschönheiten verschaffte der Einsiedelei eine neue Bedeutung als vielbesuchte Sehenswürdigkeit für den wachsenden Tourismus. Als erster machte der Basler-Zeichner Emanuel Büchel die Reize der Verena-Schlucht der breiten Öffentlichkeit bekannt. Besondere Förderung erfuhr sie durch den französischen Emigranten Baron Louis-Auguste de Breteuil, der 1791 den Weg entlang dem Bach anlegen liess.
1813 liessen patriotische Solothumer auf der Höhe westlich des Südausgangs der Schlucht einen Gedenkstein zu Ehren der Belagerung von 1318 und des Schultheissen Niklaus Wengi anbringen. Im Laufe des 19. Jahrhundert entstand allmählich, durch Gedenksteine und -tafeln entlang des Weges durch die Schlucht, eine Art Ehrengalerie verdienter Solothurner.