Modestă ca suprafaţă, dar impozantă, Mănăstirea Varlaam se află în apropiere de Mănăstirea Marele Meteor, pe o solidă stâncă înaltă de 373 metri. Conform tradiţiei, ea a fost locuită pentru prima oară de pustnicul Varlaam care a construit aici în jurul anului 1350 o bisericuţă cu hramul Sfinţilor Trei Ierarhi şi câteva chilii. Varlaam a urcat pe stâncă cu schele succesive, sprijinite pe grinzi înfipte în găurile dintre stânci. Mai târziu schelele au fost înlocuite cu scări mari de sfoară şi plasă. În anul 1922 au fost cioplite în piatră 129 de trepte care-l conduc pe vizitator, în deplină siguranţă, până în vârful stâncii unde se află mănăstirea. Plasa se mai foloseşte şi astăzi doar pentru transportul alimentelor şi al materialelor necesare întreţinerii sfântului lăcaş.
Mănăstirea Varlaam, în forma cunoscută astăzi, a fost ctitorită după aproape două sute de ani, pe la 1517-1518, când s-au stabilit aici cuvioşii părinţi Theofanis (+1544) şi Nectarios (+1550). Originari din nobila familie a Apsarazilor de la Ioannina, fraţii Nectarios şi Theofanis reclădesc Biserica Trei Ierarhi pe ruinele vechilor ziduri şi, mai târziu, construiesc Biserica Tuturor Sfinţilor şi Biserica lui Ioannis Prodromos (deschizătorul de drumuri).
Biserica cu hramul Tuturor Sfinţilor a fost înălţată în douazeci de zile cu materiale de construcţie ridicate pe stânca meteorică într-o perioadă de 22 de ani. Tradiţia consemnează faptul că părintele Theofanis, ctitorul, fiind de zece luni bolnav, când a fost înştiinţat că s-au terminat lucrările, s-a ridicat din patul de suferinţă ajutat de un toiag şi, când a văzut biserica terminată, a înalţat mâinile slăvind pe Dumnezeu şi mulţumind Tuturor Sfinţilor. Apoi, după cum menţionează placa ctitorului, i-a binecuvântat pe fraţii călugări, pe constructori, pietrari şi tâmplari, după care s-a întors cu bucurie în chilia lui şi s-a mutat la viaţa cea veşnică.
În formă de cruce, cu turlă, biserica Trei Ierarhi a fost decorată ulterior. Naosul a fost pictat în anul 1548 de marele artist cretan Franco Katelano originar din Teba, iar pronaosul a fost pictat în anul 1566 de doi fraţi, Gheorghe şi Franco Kondaris, de asemenea din Teba. Paraclisul Sfinţilor Trei Ierarhi care are o singură încăpere, a fost refăcut în anul 1627 şi pictat în frescă de Stergios şi Kirillos în stil postbizantin, caracteristic primei jumătăţi a secolului al XVII-lea.
Alte clădiri care dăinuie pe platforma stâncii de la Varlaam sunt: vechea Trapeză, azi muzeu, Vatra sau Bucătăria, una dintre cele mai frumoase construcţii de acest fel şi Spitalul.
Spre sfârşitul secolului al XVI-lea şi începutul secolului al XVII-lea a funcţionat la Mănăstirea Varlaam un renumit atelier specializat în broderie cu fir de aur.
Printre odoarele mănăstirii care se păstrează în sacristie se află moaştele multor sfinţi, odăjdii, cruci, vase de cult din argint, centura de fier a ctitorului mănăstirii, epitaful brodat cu aur, evanghelii, manuscrise vechi pe pergament şi sute de cărţi. De asemenea, la Mănăstirea Varlaam se păstrează Evanghelia atribuită Împăratului Constantinos Porfirogennitos din anul 959.