Este santuario fue en origen convento de Carmelitas Descalzos. Construido en 1583 bajo trazas de Diego de Praves, su fachada la finaliza, en 1617, su hijo, Francisco de Praves, quien también edifica la capilla de San Juan Bautista. En 1739 fray Pedro de la Visitación erige la Capilla de San Joaquín, Santa Ana y Nuestra Señora de la Mano.

Entre las obras de arte que atesora destaca la venerada imagen de la Virgen del Carmen, del retablo mayor. Esta goza de especial veneración entre los vallisoletanos siendo sacada en multitudinaria y popular procesión de romería cada Lunes de Pentecostés, junto con la imagen de San José y otra pequeña de la Virgen del Carmen. En la Capilla de San Joaquín destacan las bóvedas con yeserías prerrococó obra de Matías Machuca y el retablo con una Inmaculada de Gregorio Fernández (1634).

Con la Desamortización el convento desaparece, su huerta fue convertida en cementerio a partir de 1840 y las dependencias, excepto el templo, fueron derruidas, aunque la secular devoción hacia la Virgen del Carmen Extramuros ha mantenido en pie su templo y el rico patrimonio que custodia.