Une communauté se reconstitue à partir de Saint-Bavon de Gand, et vient en 960 avec l'Abbé Maynard, faire renaître la vie monastique à Fontenelle. L'abbaye souffre du départ prématuré en 966 de son Abbé, qui va en 966 implanter la vie monastique au Mont-Saint-Michel.
En 1006, le duc de Normandie Richard Ier relancera l'oeuvre de restauration monastique en confiant Fontenelle à l'Abbé saint Gérard (+1029).
Ce dernier reconstruit les bâtiments modestes laissés par ses prédécesseurs, en particulier le réfectoire et le dortoir, grâce à de généreuses aumônes de nobles dames normandes, et grâce au développement du culte de saint Wulfran. On avait en effet découvert ses reliques dans les fondations de l'église en 1008.
La nouvelle église abbatiale Saint-Pierre sera dédiée le 12 septembre 1031 sous le brillant abbatiat de saint Gradulphe (+1048). Ce dernier et ses successeurs aident à la fondation ou à la restauration des abbayes normandes du Mont-Sainte-Catherine à Rouen, de Préaux, de Grestain, de Montivilliers, de Fontenay (près de Caen).
Le monastère est à son apogée sous l'abbatiat de Gerbert (+1089) : plusieurs de ses moines deviennent Abbés, Durand à Troarn, Onfroy et Geoffroy à Préaux, Ingulf à Croyland, Gontard à Jumièges, Gautier au Mont-Sainte-Catherine de Rouen. Guillaume le Conquérant fait donation à l'abbaye Saint-Wandrille de nombreux domaines en Normandie et en Angleterre.
Durant le 12ème siècle, le scriptorium s'enrichit, la régularité se maintient, l'aumône est largement pratiquée. Au 13ème siècle, des abbés tentent plus ou moins fermement de réformer les abus qui commencent à poindre, dus surtout à l'appropriation des offices et de leurs revenus par les moines.
L'église abbatiale du 11ème brûle en 1248 : l'abbé Pierre Mauviel en commence la reconstruction. Ses successeurs Geoffroy de Nointot (+1288), Guillaume de Norville (+1304) et Guillaume de La Douillie (+1342) poursuivent la construction de l'église dont le gros oeuvre est achevé en 1331. On commence aussi à rebâtir le cloître.
Mais la guerre de Cent ans désole le pays. Se succèdent alors jusqu'en 1450 des périodes de tranquillité, pendant lesquelles on travaille aux bâtiments, et des périodes de troubles, pendant lesquelles les religieux trouvent refuge dans leur hôtel de Rouen.
La commende apparaît à la fin du 15ème siècle. Si la régularité vacille, les constructions vont bon train : trois galeries du cloître sont reconstruites à partir de 1494 et achevées sous l'abbatiat de Jacques Hommet (1505-1523), dernier abbé régulier.
Les abbés commendataires se contenteront par la suite de faire administrer l'abbaye au mieux de leurs propres intérêts pécuniaires. En mai 1562, le monastère est saccagé par les troupes huguenotes. Les revenus diminuent ou font l'objet de lourdes procédures.
De 1585 à 1690, ce sont les prélats de l'opulente famille de Neufville de Villeroy qui vont «exploiter» le monastère.