Die Buchenmühle wurde 1726 im Buchenbachtal unterhalb der Wallfahrtskirche Mariabuchen errichtet. Im selben Jahr betraute Fürstbischof Christoph Franz von Hutten (1724 bis 1729) die Kapuziner mit der Seelsorge am Wallfahrtsort.
Neben der Mehlmühle betrieben die Müller damals auch Landwirtschaft und verkauften selbst gebackenes Brot. Ihre Felder lagen auf den Höhen oberhalb des Tales. Die Mühle bot aber auch den Pilgern Unterkunft und Verpflegung.
Im Wesentlichen sah das Anwesen damals bereits so aus wie heute. Das Hauptgebäude wurde 1901 durch einen Anbau zum heutigen Parkplatz hin um zwei Fensterachsen vergrößert. 1898 hatte die Familie Brey die Buchenmühle gekauft. Sie blieb bis 1975 im Besitz der Familie aus dem Rheinland. Zum Kauf geraten hatte Pater Cyprian Fröhlich, der ebenfalls von dort kam.
Aus der Pilgerherberge entwickelte sich eine gut gehende Sommerfrische. 1920 erhielt die Buchenmühle eine Wasserleitung. Bis dahin wurde Trinkwasser aus dem Klosterbrunnen geholt.
1927 wurde der Mühlenbetrieb stillgelegt. Landwirtschaft betrieb die Familie Brey noch bis zum Verkauf des Anwesens 1975 an die Diözese Würzburg. Dieser ging es beim Kauf vor allem darum, dass das Anwesen in der Nähe der Wallfahrtskirche nicht in falsche Hände kam. Der gastronomische Betrieb wurde verpachtet.
1997 kauften Heribert und Elfriede Endres das Anwesen, renovierten und erweiterten das Hotel und die Gasträume. Sie verpachteten an ihre Tochter Manuela Endres, die der Buchenmühle in kürzester Zeit wieder einen guten Ruf verschaffte. Von 2001 bis 2008 führten Alexandra und Uwe Rühl aus Darmstadt als Pächter den Betrieb.